Presentation in Danish at the Danish Geotechnical Society's meeting on 12 September 2013.

1. Dansk Geoteknisk forening, 12. september 2013
Artikler fra ICSMGE 2013
Modelling of soil-structure interaction for seismic
analyses of the Izmit Bay Bridge
Modellering af jord-struktur-interaktion i
jordskælvsanalyser for Izmit Bay Bridge
Jakob Hausgaard Lyngs, Thomas Kasper, Kristian Bertelsen
COWI A/S
1

2. Agenda
Izmit Bay Bridge
Seismisk risiko
Designstrategi for tårnfundamenter
Modelling af jord-struktur-interaktion
Konklusion
Spørgsmål
2
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

3. Izmit Bay Bridge
3
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

4. Izmit Bay Bridge
4
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

5. Izmit Bay Bridge
566 m
252 m
MSL
40 m
566 m
5
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE
1550 m

6. Tårnfundamenter
› Nordtårn
-40.0
-43.0
Sand
Firm to stiff clay
Sand
Stiff to hard clay
6
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

7. Tårnfundamenter
› Sydtårn
-40.0
-43.0
Soft to firm clay
Sand
Stiff clay
Sand
7
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

8. Seismisk risiko
› Høj seismisk aktivitet
› North Anatolian Fault
8
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

9. Seismisk risiko
9
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

10. Seismiske design kriterier
› Functional Evaluation Earthquake (FEE)
› TR = 150 år
› PGAklippe = 0,25 g
› Minimal skade, fuld brugbarhed
› Safety Evaluation Earthquake (SEE)
› TR = 1000 år
› PGAklippe = 0,65 g
› Begrænset skade, kan repareres
› No Collapse Earthquake (NCE)
› TR = 2475 år
› PGAklippe = 0,87 g
› Stor strukturel skade tilladt, men intet kollaps
10
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

11. Seismisk designkoncept
› Lad os gøre noget (næsten) nyt!
› "Base isolation" system for pylonfundamenterne
› Projektreference: Rion-Antirion skråstagsbro i Grækenland
› Caissoner ovenpå en gruspude, jord forstærket med stålpæle.
› Ingen strukturel forbindelse mellem caisson og pæle
› Tillader (begrænset) løftning og glidning
› Mindsker kræfter i strukturen
11
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

12. Tårnfundamenter
› Nordtårn
-40.0
-43.0
Sand
Firm to stiff clay
Sand
Stiff to hard clay
12
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

13. 13
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

14. 14
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

15. Jord-struktur-interaktion, modellering
Ikke en helt almindelig dag på kontoret…
› Detailed design-eftervisning med tidsdomæneanalyser
"standard": frekvensdomæne
› Tillad et "svagt led" in jord-struktur-interfacet, med styrke afhængig af
vertikalspændingen
standard: ingen plastisk deformation
› Beregning af spændingsfordeling under caissonerne i hvert tidsstep, i IBDAS
modellen
standard: kun verifikation af enkelte pseudo-statiske lasttilfælde, i separat
model
15
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

16. Beregningsmodel
› Globalmodel i IBDAS
› Tidsdomæne, 7 forskellige tidsserier af flytninger for hvert designkriterium
› Modellering af jord-struktur-interaktion med fordelte fjedre og dæmpere
› Avanceret model, men dog implementerbar i design!
16
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

17. Jord-struktur-interaktion – implementering 1
› "Standard" procedure:
› 6x6 lineære stivheds- og dæmpningsmatricer
› Visko-lineær  Kan ikke modellere plastisk deformation
› Bundplade skal antages stiv  ingen beregning af spændinger
17
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

18. Jord-struktur-interaktion – implementering 2
› Fordelte fjedre
› Ikke-lineære, hysteretiske vandrette fjedre
› Lodret gapping element (ingen trækspænding)
18
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

19. Jord-struktur-interaktion – implementering 3
› Hysteretisk opførsel, extended Masing rule
› Fmax afhængig af lokal vertikalkraft
› 2D-opførsel modelleret med i alt 8 fjedre
19
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

20. Kalibrering af "grusfjedre"
› Lokal-respons i Abaqus og IBDAS
for varierende vertikal last
Foundation shear stress [kPa]
300
250
200
100 kPa
200 kPa
150
400 kPa
100
fit 100 kPa
fit 200 kPa
50
fit 400 kPa
0
0
0.05
0.1
0.15
Horizontal foundation displacement [m]
20
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE
0.2

21. Kalibrering af "jordfjedre"
› Global-respons i Plaxis og IBDAS
Horizontal load [MN]
-600
-500
-400
PLAXIS NT, 930 MN
PLAXIS NT, 830 MN
PLAXIS NT, 730 MN
IBDAS NT, 930 MN
IBDAS NT, 830 MN
IBDAS NT, 730 MN
-300
-200
-100
0
0.00
-0.10
-0.20
-0.30
Horizontal displacement [m]
21
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE
-0.40
-0.50

22. Simulering
22
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

23. Resultater - 1
› Meget data!
› Gennemsnit af 7 tidshistorier
23
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

24. Resultater - 2
› NCE flytninger
› Totale
› Relative i
interfacet
24
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

25. Resultater - 3
› Hysterese i fjedre under NCE-jordskælv
25
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

26. Resultater - 4
› Større moment end den ikkelineære model (NCE)
250
200
Elevation [m TUDKA]
› Lineær model prøvet til
sammenligning
Nordtårn
150
100
50
› Nordtårn: 13%
0
-4000
› Sydtårn: 46%
Reference
Linear
-3000 -2000 -1000
0
1000
2000
3000
Moment around bridge transverse axis MY [MNm]
4000
Sydtårn
250
Elevation [m TUDKA]
200
150
100
50
26
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE
0
-3000
Reference
Linear
-2000
-1000
0
1000
2000
Moment around bridge transverse axis MY [MNm]
3000

27. Konklusion
› Detailed design ved hjælp af tidshistorier
› Udnyttelse af begrænset plasticitet i jord-struktur-interfacet
› Begrænsning af påvirkning af strukturen
› Global model  effektivt design
› Lyngs, Kasper and Bertelsen (2013): Modelling of soil-structure
interaction for seismic analyses of the Izmit Bay Bridge. Proceedings
of the 18th International Conference on Soil Mechanics and
Geotechnical Engineering, Paris 2013
27
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

28. 28
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

29. Og der bygges…
29
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE

30. Spørgsmål?
30
12. SEPTEMBER 2013
DGF, IZMIT BAY BRIDGE