Piles of a bridge pier are connected with the column through the pile cap (footing). Behavior of the pile foundation can be different according to the connection method between piles and the pile cap. Connection methods between pile heads and the pile cap are divided into two groups : rigid connections and hinge connections. Domestic design code has been specified to use rigid connection method for the highway bridge. In the rigid connection method, maximum bending moment of a pile occurs at the pile head and this helps the pile to prevent the excessive displacement. Rigid methods are also good to improve the seismic performance. However, some specifications prescribe that conservative results through investigations of both the fixed-head condition and the free-head condition should be reflected in the design. This statement may induce an over-estimated design for the bridge which has high-quality structures with casing covered drilled shafts and the PC-house contained pile cap. Because the assumption of free-head conditions (hinge connections) is unreal for the elevated pile cap system with multiple piles of the long span sea-crossing bridges. On the other hand, elastic displacement method to evaluate the pile reactions under the pile cap is not suitable for this type of bridges due to impractical assumptions. So, full modeling techniques which analyze the superstructure and the substructure simultaneously should be performed. Loads and stress state of the large diameter drilled shaft and the pile cap for Incheon Bridge which will be the longest bridge of Korea were investigated through the full modeling for rigid connection conditions.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.26
no.6C
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pp.407-419
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2006
Situations where support is provided solely in shaft resistance of drilled shafts are where the base of the drilled hole cannot be cleaned so that it is uncertain that any end bearing support will be developed. Alternatively, where sound bed rock underlies low strength overburden material, it may be possible to achieve the required support in end bearing on the rock only, and assume that no support is developed in the overburden. However, where the drilled shaft is drilled some depth into sound rock, a combination of side wall resistance and end bearing can be assumed. Both theoretical and field studies of the performance of rock socketed drilled shafts show that the major portion of applied load is usually carried in side wall resistance. Normal stress at the rock-concrete interface is induced by two mechanisms. First, application of a compressive load on the top of the pile results in elastic dilation of the concrete, and second, shear displacement at the rough surface of the drilled hole results in mechanical dilation of the interface. If the stiffness of the material surrounding the socket with respect to normal displacement is constant, then the normal stress will increase with increasing applied load, and there will be a corresponding increase in the shear strength. In this study, the numerical analyses are carried out to investigate the behavioral characteristics of side of rock socketed drilled shafts. The cause of non-linear head load-settlement relationship and failure mechanism at side are also investigated properly and the design charts are suggested and verified for the leading to greater efficiency and reliability in the pile design.
Do Yeon Kim;Hyuck Soon Choi;Joohyung Kang;Yongsun Lee
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.27
no.6
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pp.70-78
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2023
The ordinary concentrically braced frame has an advantage of having simple design procedure. For this reason, it has been widely used for the small-sized frame structures subject to moderate or lower magnitude earthquake, even though its seismic performance against the earthquake load is not much effective compared to that of other frame systems. To enhance seismic performance of the ordinary concentrically braced frame where the bracing has a weakness for compressive behavior under lateral earthquake, seismic retrofitting by viscous damper has been commonly introduced. However, the viscous damper, itself, generally does not have stiffness for restoring the structure to the original position. This may cause residual displacement to the structure. In this paper, a self-centering viscous damper system in which upper and lower beams having flexural rigidity play a role as a nonlinear-elastic spring, restoring the spring-damper system subject to external displacement history to its original location, is developed. The numerical analysis for a simplified frame structure shows how including the developed self-centering viscous damper system leads to an enhanced seismic performance of the frame structure through energy dissipation during earthquake excitation.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.37
no.4
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pp.251-258
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2024
This study investigated the effect of bearing aging on the seismic response of a three-span continuous concrete girder bridge with pot bearings installed. The pot bearings were modeled as elastic springs in the longitudinal, transverse, and vertical directions of the bridge to reflect the stiffness of fixed and movable supports. The effect of bearing aging on the seismic response of the bridge was examined by considering two factors: a decrease in the horizontal stiffness of the fixed bearings and an increase in the horizontal stiffness of the movable bearings. The finite element model of the three-span continuous girder bridge was validated by comparing its numerical natural frequencies with the designed natural frequencies. Using artificial ground motions that conform to the design response spectrum specified by the KDS bridge seismic design code, the seismic responses of the bridge's girders and bearings were calculated, considering the bearing stiffness variation due to aging. The results of a numerical analysis revealed that a decrease in the horizontal stiffness of the fixed bearings led to an increase in the absolute maximum relative displacement of the bearings during an earthquake. This increases the risk of the mortar block that supports the bearing cracking and the anchor bolt breaking. However, an increase in the horizontal stiffness of the movable bearings due to aging decreased the absolute maximum shear on the fixed bearings. Despite the shear reduction in the fixed bearings, the aging of the pot bearings change could cause additional tensile bending stress in the girder section above the free bearings, which could lead to unexpected structural damage to the continuous bridge during an earthquake.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.10
no.4
s.50
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pp.15-24
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2006
This work reports the results of our study on the dynamic response of various buried pipelines depending on their boundary conditions. We have studied behavior of the buried pipelines both along the axial and the transverse direction. The buried pipelines are modeled as beams on elastic foundation while the seismic wave as a ground displacement in the form of a sinusoidal wave. The natural frequency, its mode, and the effect of parameters have been interpreted in terms of free vibration. In order to investigate the response on the ground wave, the resulting frequency and the mode shape obtained from the free vibration have been utilized to derive the mathematical formula for the forced vibration. The natural frequency varies most significantly by the soil stiffness and the length of the buried pipelines in the case of free vibration. The effects of the propagation direction and velocity and the frequency of ground wave on the dynamic responses of concrete, steel, and FRP pipes have been analyzed and then dynamic responses depending on the type of pipes have been compared. Through performing dynamic analyser for various boundary conditions and estimation of the location of maximum strain has been estimated for the type of pipes and boundary conditions.
The aim of this research is to model the behaviour of recently developed high force to volume (HF2V) passive energy dissipation devices using a simple finite element (FE) model. Thus, the end result will be suitable for use in a standard FE code to enable computationally fast and efficient analysis and design. Two models are developed. First, a detailed axial model that models an experimental setup is created to validate the approach versus experimental results. Second, a computationally and geometrically simpler equivalent rotational hinge element model is presented. Both models are created in ABAQUS, a standard nonlinear FE code. The elastic, plastic and damping properties of the elements used to model the HF2V devices are based on results from a series of quasi-static force-displacement loops and velocity based tests of these HF2V devices. Comparison of the FE model results with the experimental results from a half scale steel beam-column sub-assembly are within 10% error. The rotational model matches the output of the more complex and computationally expensive axial element model. The simpler model will allow computationally efficient non-linear analysis of large structures with many degrees of freedom, while the more complex and physically accurate axial model will allow detailed analysis of joint connection architecture. Their high correlation to experimental results helps better guarantee the fidelity of the results of such investigations.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.35
no.1
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pp.229-236
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2015
In this study, the resilient modulus test and Light Weight Deflectormeter (LWD) test were conducted to simulate the moving vehicle load for the evaluation of the internal failure of epoxy asphalt pavement. The Measured displacement in the resilient modulus test of epoxy asphalt concrete showed very little residual deformation under repeated loads unlike the conventional asphalt. Therefore, the test results were evaluated as a normal state due to its similarity with elastic deformation. The deflection results from the resilient modulus tests were converted to the surface deflection modulus and the normal range of surface deflection modulus was estimated applying LWD measurement of 1 SIGMA level. Internal failure of pavements were estimated using the suspicious failure range at $60^{\circ}C$ and hysteresis. Internal moisture penetration and a decrease in bonding were observed in partial areas at $140{\mu}m$ of surface deflection. However, the areas showed inflection points in the hysteresis. Field investigation by suggested criterion indicated a high degree of accuracy.
Isavand, S.;Bodaghi, M.;Shakeri, M.;Mohandesi, J. Aghazadeh
Steel and Composite Structures
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v.18
no.1
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pp.1-28
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2015
In this paper, the dynamic response of functionally gradient steel (FGS) composite cylindrical panels in steady-state thermal environments subjected to impulsive loads is investigated for the first time. FGSs composed of graded ferritic and austenitic regions together with bainite and martensite intermediate layers are analyzed. Thermo-mechanical material properties of FGS composites are predicted according to the microhardness profile of FGS composites and approximated with appropriate functions. Based on the three-dimensional theory of thermo-elasticity, the governing equations of motionare derived in spatial and time domains. These equations are solved using the hybrid Fourier series expansion-Galerkin finite element method-Newmark approach for simply supported boundary conditions. The present solution is then applied to the thermo-elastic dynamic analysis of cylindrical panels with three different arrangements of material compositions of FGSs including ${\alpha}{\beta}{\gamma}M{\gamma}$, ${\alpha}{\beta}{\gamma}{\beta}{\alpha}$ and ${\gamma}{\beta}{\alpha}{\beta}{\gamma}$ composites. Benchmark results on the displacement and stress time-histories of FGS cylindrical panels in thermal environments under various pulse loads are presented and discussed in detail. Due to the absence of similar results in the specialized literature, this paper is likely to fill a gap in the state of the art of this problem, and provide pertinent results that are instrumental in the design of FGS structures under time-dependent mechanical loadings.
Precast concrete elements in accelerated bridge construction (ABC) extends from superstructure to substructure, precast pile foundation has proven a benefit for regions with fragile ecological environment and adverse geological condition. There is still a lack of knowledge of the seismic behavior and performance of the precast pile foundation. In this study, a 1/8 scaled model of precast pile foundation with elevated cap is fabricated for quasi-static test. The failure mechanism and responses of the precast pile-soil interaction system are analyzed. It is shown that damage occurs primarily in precast pile-soil interaction system and the bridge pier keeps elastic state because of its relatively large cross-section designed for railways. The vulnerable part of the precast pile with elevated cap is located at the embedded section, but no plastic hinge forms along the pile depth under cyclic loading. Hysteretic curves show no significant strength degradation but obvious stiffness degradation throughout the loading process. The energy dissipation capacity of the precast pile-soil interaction system is discussed by using index of the equivalent viscous damping ratio. It can be found that the energy dissipation capacity decreases with the increase of loading displacement due to the unyielding pile reinforcements and potential pile uplift. It is expected to promote the use of precast pile foundation in accelerated bridge construction (ABC) of railways designed in seismic regions.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.31
no.3
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pp.155-163
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2018
One of the major disadvantages of isogeometric analysis(IGA) is that local refinement is nearly impossible in a conventional manner because of the tensor product nature in NURBS. In this research, we investigate a local refinement scheme for isogeometric analysis, named multi-resolution approach where different resolutions are employed at each subdomain, using h-refinement relation to endow displacement compatibility on an interface of subdomains. Then, we develop shape sensitivity analysis possessing same compatibility condition as in the analysis. Numerical examples are shown to demonstrate the computational efficiency of the method in analysis especially stress concentration problem and accurate sensitivity results which is also compatible on the interface.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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