The effect of multi-angle spatially variable ground motions on the seismic behaviour of cable-stayed bridges

Abstract

The definition of the Spatial Variability of the Ground Motion (SVGM) is a complex and multi-parametric problem that has caught the attention of the research community since the first accelerometer arrays were installed. The effect of this phenomenon on the seismic response of long and multiply supported structures in general, and on cable- stayed bridges, in particular, has been studied by many researchers who have emphasised the significance of considering this phenomenon in the seismic analysis, but have also agreed that the SVGM is a multi-component phenomenon that needs more research. This work examines the effect of the multi-support excitation on the seismic response of cable-stayed bridges by means of the time delay of the earthquake at different supports and of the loss of coherency of the seismic waves. The focus herein is the effect of the SVGM on cable-stayed bridges with various configurations in terms of their length and in terms of design parameters, such as the pylon shape and the pylon-cable system configuration, combined with the influence of the incidence angle of the seismic waves. Furthermore, the SVGM is examined at higher levels of earthquake intensity in order to assess the vulnerability of the bridge when subjected to lower probability ground motions. The aim of this research is to provide general conclusions that are applicable to a wide range of cable-stayed bridges and to contribute to the ongoing effort to interpret and predict the effect of the SVGM. It has been found that the influence of the multi-support excitation on the seismic response of the bridges is strongly affected by the shape of the pylons, by the pylon-cable system configuration and by and the seismic incidence angle. The SVGM also excites vibration modes that do not contribute to the seismic response when identical support motions are considered and it increases the probability of failure in the constituent components of the bridge.

Ο ορισμός της ασύγχρονης σεισμικής κίνησης είναι ένα σύνθετο και πολυπαραμετρικό πρόβλημα που έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον της ερευνητικής κοινότητας από τότε που εγκαταστάθηκαν οι πρώτες συστοιχίες επιταχυνσιομέτρων. Η επίδραση αυτού του φαινομένου στη σεισμική απόκριση κατασκευών μεγάλων ανοιγμάτων και πολλαπλά στηριζόμενων γενικά, και καλωδιωτών γεφυρών ειδικά, έχει μελετηθεί από πολλούς ερευνητές, οι οποίοι έχουν τονίσει τη σημασία της εξέτασης αυτού του φαινομένου στη σεισμική ανάλυση, αλλά έχουν επίσης καταλήξει ότι η ασύγχρονη σεισμική κίνηση είναι ένα φαινόμενο πολλαπλών συνιστωσών που χρειάζεται περισσότερη έρευνα. Η παρούσα διαδακτορική διατριβή εξετάζει την επίδραση της ασύγχρονης σεισμικής κίνησης στη σεισμική απόκριση καλωδιωτών γεφυρών μέσω της χρονικής καθυστέρησης άφιξης του σεισμικού κύματος στις διαδοχικές στηρίξεις της γέφυρας και της απώλειας συνοχής των σεισμικών κυμάτων. Το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στην επίδραση της ασύγχρονης σεισμικής κίνησης σε καλωδιωτές γέφυρες με διάφορα μήκη ανοιγμάτων, καθώς και σε παραμέτρους σχεδιασμού, όπως το σχήμα του πυλώνα και η διαμόρφωση του συστήματος πυλώνα−καλωδίων, σε συνδυασμό με την επίδραση της γωνίας πρόσπτωσης των σεισμικών κυμάτων. Επιπλέον, η ασύγχρονη σεισμική κίνηση εξετάζεται σε υψηλότερα επίπεδα έντασης σεισμού, προκειμένου να αξιολογηθεί η τρωτότητα της γέφυρας όταν υπόκειται σε εδαφικές κινήσεις μικρότερης πιθανότητας εμφάνισης. Στόχος της παρούσας διατριβής είναι να εξαχθούν γενικά συμπεράσματα εφαρμόσιμα σε ένα ευρύ φάσμα καλωδιωτών γεφυρών και να συμβάλει στην προσπάθεια ερμηνείας και πρόβλεψης της επίδρασης της ασύγχρονης σεισμικής κίνησης. Διαπιστώνεται ότι η επίδραση της ασύγχρονης κίνησης στη σεισμική απόκριση των γεφυρών επηρεάζεται έντονα από το σχήμα των πυλώνων, από τη διαμόρφωση του συστήματος πυλώνα―καλωδίων και από τη γωνία πρόσπτωσης του σεισμού. Η ασύγχρονη σεισμική κίνηση διεγείρει επίσης υψηλότερες ιδιομορφές οι οποίες δεν συμβάλλουν στη σεισμική απόκριση της γέφυρας όταν δε λαμβάνεται υπόψη, αυξάνοντας έτσι την πιθανότητα αστοχίας μελών της γέφυρας.