Seismic behaviour of highway bridges under soil-pile-structure interaction effect

Abstract

Bu doktora tezi, zemin-kazık-köprü sistemlerinin deprem davranışlarını kapsamlı statik ve dinamik analizler altında inceleyerek, geleneksel altsistem metodolojilerini, gelişmiş üç boyutlu sürekli sonlu eleman modellemesi ile karşılaştırmaktadır. Çalışmada ilk olarak, p-y yay modellerinin yatay yükler ve deprem etkileri altındaki kazıkların davranışı ve modellemedeki etkinliğini, tam entegre sürekli modellerle karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Statik analizler, özellikle kohezif zeminlerde, p-y yay eğrileri kullanıldığında kazık deformasyonlarında ve eğilme momentleri tahminlerinde önemli farklılıklar ortaya koyarak, sahaya özel kalibrasyonlarının gerekliliğini vurgulamaktadır. Daha sonra, santrifüj deneyleri ve Kaliforniya'daki Meloland yolu üstgeçiti gibi gerçek köprü verileri kullanılarak, OpenSees programında daha önce geliştirilmiş yeni temas yüzeyi ve sınır elemanları sayısal olarak doğrulanmıştır. Dinamik analizler, modelleme sürecinde kritik konulara gereken dikkat gösterildiğinde, üç boyutlu sürekli modellerin karmaşık zemin-kazık-köprü etkileşim davranışını doğru bir şekilde hesaplayabildiğini göstermektedir. Buna karşılık, altsistem ve ankastre modeller, özellikle yumuşak zemin koşullarında, spektral ivmelerde ve diğer davranış dağılımlarında önemli hatalar gözlemlenmiştir. Ayrıca, uygun ağ iyileştirmesi ve sınır koşulları ile sürekli model yaklaşımının verimliliği hassasiyet analizleri ile doğrulanmıştır. Bulgular, çeşitli zemin profilleri üzerinde çok açıklıklı köprülerin deprem tasarımında altsistem yöntemlerine kıyasla sürekli modellemenin üstün doğruluğunu vurgulayarak, üç boyutlu sürekli modellemenin benimsenmesini önermektedir.This doctoral thesis investigates the seismic response of soil-pile-bridge systems through comprehensive static and dynamic analyses, comparing traditional substructure methodologies with advanced 3D continuum finite element (FE) modeling. First, the study critically examines the efficacy of p-y spring models against fully coupled continuum models in predicting pile behavior under lateral loads and seismic excitations. Static analyses reveal significant discrepancies in pile deflection and bending moment predictions when using generic p-y curves, particularly in cohesive soils, underscoring the necessity for site-specific calibrations. Later, utilizing both centrifuge experiments and real-world bridge data, including the Meloland Road Overpass (MRO) in California, the research validates newly developed contact and boundary elements previously developed within the OpenSees framework. Dynamic analyses demonstrate that continuum models accurately capture complex soil-pile-bridge interaction behavior when the needed attention is provided to critical issues in its modeling process. In contrast, substructure and fixed-base models exhibit substantial errors in spectral accelerations and response distributions, especially in soft soil conditions. Sensitivity studies confirm the robustness of the continuum approach with appropriate mesh refinement and boundary conditions. The findings advocate for the adoption of 3D continuum modeling in seismic design of multi-span bridges on varied soil profiles, highlighting its superior accuracy over substructure and conventional fixed-based models. This research contributes to safer and more reliable bridge designs in seismic regions by providing validated modeling techniques and emphasizing the critical role of detailed soil-pile-structure interaction (SPSI) assessments.