The main focus of this study is to numerically investigate the influence of strong earthquake and tsunami-induced wave impact on the response and behavior of a cable-stayed steel bridge with large caisson foundations, by assuming that the earthquake and the tsunami come from the same fault motion. For this purpose, a series of numerical simulations were carried out. First of all, the tsunami-induced flow speed, direction and tsunami height were determined by conducting a two-dimensional (2D) tsunami propagation analysis in a large area, and then these parameters obtained from tsunami propagation analysis were employed in a detailed three-dimensional (3D) fluid analysis to obtain tsunami-induced wave impact force. Furthermore, a fiber model, which is commonly used in the seismic analysis of steel bridge structures, was adopted considering material and geometric nonlinearity. The residual stresses induced by the earthquake were applied into the numerical model during the following finite element analysis as the initial stress state, in which the acquired tsunami forces were input to a whole bridge system. Based on the analytical results, it can be seen that the foundation sliding was not observed although the caisson foundation came floating slightly, and the damage arising during the earthquake did not expand when the tsunami-induced wave impact is applied to the steel bridge. It is concluded that the influence of tsunami-induced wave force is relatively small for such steel bridge with large caisson foundations. Besides, a numerical procedure is proposed for quantitatively estimating the accumulative damage induced by the earthquake and the tsunami in the whole bridge system with large caisson foundations.
Over the past couple decades, externally bonded fiber reinforced polymer (FRP) composites have emerged as a repair and strengthening material for many concrete infrastructure applications. This paper presents an analytical investigation of the use of carbon FRP (CFRP) for a specific problem that occurs in concrete bridge girders wherein the girder ends are damaged by excessive exposure to deicing salts and numerous freezing/thawing cycles. A 3D finite element (FE) model of a full scale prestressed concrete (PC) I-girder is used to investigate the effect of damage to the cover concrete and stirrups in the end region of the girder. Parametric studies are performed using externally bonded CFRP shear laminates to determine the most effective repair schemes for the damaged end region under a short shear span-to-depth ratio. Experimental results on shear pull off tests of CFRP laminates that have undergone accelerated aging are used to calibrate a bond stress-slip model for the interface between the FRP and concrete substrate and approximate the reduced bond stress-slip properties associated with exposure to the environment that causes this type of end region damage. The results of these analyses indicate that this particular application of this material can be effective in recovering the original strength of PC bridge girders with damaged end regions, even after environmental aging.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.14
no.5
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pp.1055-1067
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1994
This paper is presented to perform linear dynamic analysis of bridges due to vehicle moving on bridges. The road surface roughness and bridge/vehicle interaction are also considered. The bridge and vehicle are modeled as 3-D bridge and vehicle model, respectively. The road surface roughness of the roadway and bridge decks are generated from power spectral density(PSD) function for good road. The PSD function proposed by C.J. Dodds and J.D. Robson is used to describe the road surface roughness for good road condition. The vehicles are modeled as two nonlinear vehicle model with 7-D.O.F of truck and 12-D.O.F of tractor-trailer and the equations of motion of the vehicles are derived using Lagrange's equation. The main girder and concrete deck are modeled as beam and shell element, respectively and rigid link is used between main girder and concrete deck. The equations of motion of the vehicles are solved by Newmark ${\beta}$ method and the equations of the motion of the bridges are solved by mode-superposition procedures. The validity of the proposed procedure is demonstrated by comparing the results with the experimental data reported by the AASHO Road Test. The comparison shows that the agreement between experiment and theory is quite satisfactory.
The functions of diaphragms at abutments and piers of PSC box girder railway bridge are to transfer forces from the superstructure onto bearings or columns and to stiffen the superstructure cross-section against in -plane deformation. Due to stress disturbance at diaphragm, the design for the diaphragm using conventional design method is relatively irrational than those for other structural members. And, due to contribution to boundary condition of deck slab by the diaphragm, the behavior of deck slab near the diaphragm is different from that of the deck slab obtained from two dimensional analysis of the bridge, which is basis for the design of deck slab. In this paper, three dimensional behavior of deck slab near the diaphragm of prestressed concrete (PSC) box girder railway bridge constructed by the precast span method are analyzed by using three dimensional finite element modeling and using the strut-and-tie model design of the diaphragm are presented. The modeling techniques used in this paper can be applied effectively to examine the causes of cracks at deck slab near diaphragm and to design diaphragm rationally.
The structural behaviors of circular concrete filled steel tube (CFT) structures are investigated by nonlinear finite element method. An efficient three-dimensional (3D) degenerated beam element is adopted. Based on those previous studies, a modified stress-strain relationship for confined concrete which introduces the influence of eccentricity on confining stress is presented. Updated Lagrange formulation is used to consider the geometrical nonlinearity induced by large deformation effect. The nonlinear behaviors of CFT structures are investigated, and the accuracy of the proposed constitutive model for confined concrete is mainly concerned. The results demonstrate that the confining effect in CFT elements subjected to combining action of axial force and bending moment is far sophisticated than that in axial loaded columns, and an appropriate evaluation about this effect may be important for nonlinear numerical simulation of CFT structures.
Kim, Hyo-Jin;Park, Sang-il;Bae, Gi-Hoon;Lee, Sang-Ho
Journal of Korean Society of societal Security
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v.3
no.1
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pp.33-42
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2010
This study predicts the stress history for truss bridge with local damages by using global-local model combination method. For this end, the global structure is modeled by 3D frame elements and the selected local details are modeled by shell elements. Then superposition principle enable the global-local model to be combined interactively. Because the frame model cannot consider the rigidity of gusset plate and the interation of structural members due to the complexity of stress distribution in truss connection. The section modification factors are proposed to calibrate the stiffness of global frame element. The global-local model combination is verified by comparing the numerical results with experimental data obtained from the proof loading test to the operating truss bridge. Furthermore, stress histrories of the truss bridge are generated in the consideration of the rigidity of truss connection with local damage by using the combination method.
Kim, So-Ri;Kim, Chong-Myeong;Kim, Woong-Chul;Kim, Ji-Hwan
Journal of Technologic Dentistry
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v.39
no.1
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pp.35-42
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2017
Purpose: The purpose of this paper was to evaluate the occurrence of errors regarding adaptation by conducting a three-dimensional assessment comparing the bridge type dental restoration after the cutting process, which has multiple abutments, with a single type dental restoration. Methods: By using ten identical files obtained by scanning the master model, thirty designs were created consisting of ten maxillary right first premolars and ten maxillary right first molars with single crown abutments, along with ten bridge designs with the identical abutment. A 5-axis milling machine was used to produce the design file. The produced denture prostheses were scanned using a silicone replica for a STL file. An evaluation was conducted using 3D analysis software on the master model and each of the thirty data files. Results: The RMS value of the pre-molar (14) was $38.4{\pm}4{\mu}m$ for single and $54.7{\pm}6{\mu}m$ for bridge abutment; therefore, a statistically significant difference was observed for single and bridge designs although both shared the same abutment form (P<.05). Also, the RMS value of the molar (16) was $47.6{\pm}2{\mu}m$ and $56.6{\pm}5{\mu}m$ for the single and bridge designs, respectively, thereby presenting a statistically significant difference (P<.05). Conclusion: As a result, dental prosthesis fabricated using the single method presented better internal adaptation outcomes.
In this paper, a comprehensive investigation of the dynamic response of a long-bridge subjected to spatially varying earthquake ground motions (SVEGM) is performed based on a proposed analytical model which includes the effect of soil-structure interaction (SSI). The spatial variability of ground motions is simulated by the powerful record generator, SIMQKE II. Modeling of the SSI in the system is simplified by replacing the pile foundations and soil with sets of independent equivalent linear springs and dashpots along the pile groups. One of the most fundamental objectives of this study is to examine how well the proposed model simulates the dynamic response of a bridge system. For this purpose, the baseline data required for the evaluation process is derived from analyzing a 3D numerical model of the bridge system which is validated in this paper. To emphasize the importance of the SVEGM and SSI, bridge responses are also determined for the uniform ground motion and fixed base cases. This study proposing a compatible analytical model concerns the relative importance of the SSI and SVEGM and shows that these effects cannot be neglected in the seismic analysis of long-bridges.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2003.05a
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pp.961-966
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2003
In recent, the design of diaphragm which is representative disturbed region in PSC box girder bridge have been performed according to the empirical method or beam theory. But, these methods couldn't be described the behavior of the end diaphragm, and placed reinforcements accurately. As the compressive stress transferred by the web concentrated on the lower parts of diaphragm, it was demonstrated that the basic assumption of 2-D strut-and-tie model for the diaphragm that the compressive stress acts on the upper parts of the diaphragm is wrong. Meanwhile, in this research, after analyzing the variables of end diaphragm, the 2-D strut-and-tie models appropriate to each cases are proposed. And, the problems of 2-D strut-and-tie model were analyzed, so 3-D strut-and-tie model is proposed as well. There is no codes which include the demonstration of safety of 3-D strut-and-tie model. Hence, for nodes, the stresses at the elements which included the singular node in strut-and-tie model were investigated using the finite element analysis. And, the stress states of strut has one direction, so effective stresses were considered at the stage, dimensioning of the model. From the results, 3-D strut-and-tie model could predict the behavior of end diaphragm accurately, and design of reinforcement could be performed economically.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.29
no.1
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pp.46-61
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2017
In the present work, the interaction analysis between tsunami bore and onshore bridge is approached by a numerical method, where the tsunami bore is generated by difference of upstream side and downstream side water levels. Numerical simulation in this paper was carried out by TWOPM-3D(three-dimensional one-field model for immiscible two-phase flows), which is based on Navier-Stokes solver. In order to verify the applicability of force acting on an onshore bridge, numerical results and experimental results were compared and analyzed. From this, we discussed the characteristics of horizontal force and vertical force(uplift force and downward force) changes including water level and velocity change due to the tsunami bore strength, water depth, onshore bridge form and number of girder. Furthermore, It was revealed that the entrained air in the fluid flow highly affected the vertical force.
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