Date of Award

3-2022

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Civil Engineering (MSCE)

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Dr. Aman Mwafy

Second Advisor

Dr. Said Elkhouly

Abstract

Many bridges built before adopting current design standards may be at risk as they do not meet the latest seismic performance objectives. Bridges are vital infrastructure components required to be serviceable after earthquakes to avoid negative consequences on daily traffic. Previous seismic hazard studies considered the United Arab Emirates an earthquake-prone region subjected to two scenarios: (i) near-field events, and (ii) far-field earthquakes. Therefore, the vulnerability of pre-seismic code bridges in the UAE should be carefully assessed, and retrofit techniques should be proposed to mitigate possible earthquake losses. This study is thus devoted to assessing the seismic vulnerability of a benchmark structure representing pre-seismic code multi-span bridges before and after the retrofit with different mitigation techniques. A brief survey of the most common reinforced concrete bridges in Al-Ain City, UAE, is conducted to select the benchmark structure. The numerical modeling approaches of the selected bridge and retrofit systems are verified using the results of previous experimental studies. Detailed three-dimensional fiber-based simulation models are then developed to assess the seismic response of the benchmark bridge under the effect of diverse earthquake records representing far-field and near-source seismic scenarios in both longitudinal and transverse directions. The obtained results from several inelastic pushover analyses (IPAs) and incremental dynamic analyses (IDAs) are employed to provide insights into the local and global seismic response of the investigated multi-span bridge and develop a range of fragility functions with and without the retrofit techniques. The inelastic analyses under the effect of two earthquake scenarios confirmed that the seismic response and Probability of Damage of the investigated bridge are controlled by the bents curvature ductility (CD). Higher damage vii probabilities are observed in the pre-code bridge under the effect of farsource events and at lower intensities than their near-field counterparts. The longitudinal direction of the as-built bridge is more vulnerable than the transverse direction. Several retrofit techniques are investigated to improve the seismic performance of the bridge in the two orthogonal directions and under the two considered seismic scenarios. The mitigation techniques increased the lateral strength and provided comparable overstrength factors to previous research studies. The inelastic analysis results in the longitudinal direction of the bridge confirmed that utilizing Shape Memory Alloy (SMA) bearings reduces CD and bearing displacement (BD) demands. Although the comprehensive probabilistic assessment study in the transverse direction indicated that SMA bearings reduce BD demands, the bridge should mainly be retrofitted with Buckling Restrained Braces (BRBs) to overcome the high CD demands in bents, particularly under the most critical seismic scenario. Thus, the most effective retrofit technique in the transverse direction is achieved using both SMA bearings with BRBs. The study provided insights into the impact of different retrofit techniques on improving the seismic performance of substandard bridges and presented a range of fragility functions for assessing and mitigating the infrastructure seismic risk.

Arabic Abstract


تقييم اداء الجسور الخرسانية القائمة المجهزة بأنظمة للتخفيف من مخاطر الزلازل

هنالك الكثير من الجسور التي تم بناؤها قبل تبني معايير التصميم الحالية، وهذه الجسور قد تكون معرضة للمخاطرلأنها لا ترقى لمستوى المتطلبات الزلزالية الحديثة. تعد الجسور من أهم قواعد البُنى التحتية التي يجب أن تكون في حالة صالحة للخدمة بعد التعرض للزلزال لتجنب العواقب السلبية التي قد تؤثر على الحركة المرورية اليومية. العديد من الدراسات السابقة لتي تختص بالزلازل وخطورتها بێنت أن دولة الإمارات العربية المتحدة تقع بمنطقة معرضة للزلازل من خلال سيناريوهين: الزلازل المتولدة من فوالق زلزالية بعيدة ، والزلازل الناشئة من فوالق قريبة؛ لذلك، فإن اي إحتمال بوجود ضعف مرتبط بالجسور التي لا ترقى للمعايير التصميمية الحالية لمقاومة الزلازل يجب أن يتم تقييمه بدقة لإقتراح الطرق التحديثية لتخفيف الخسائر الزلزالية المحتملة. هذه الدراسة مخصصة لتقييم الضعف الزلزالي لجسر مرجعي بحيث يمثل الجسور الغير معيارية ذات البحور المتعددة قبل وبعد طرق التحديث لمقاومة احمال الزلزال. تم عمل استبيان لأكثر أنواع الجسور الخرسانية المسلحة في مدينة العين بدولة الإمارات العربية المتحدة لاختيار الجسر المرجعي. تم التحقق من طرق النمذجة الرقمية للجسر المختار ولأنظمة التحديث عبر نتائج دراسات معملية سابقة. تمت النمذجة علي الحاسب الآلي باستخدام طريقة الألياف التفصيلية ثلاثية الأبعاد لتقييم الأداء الزلزالي للجسر المرجعي تحت تأثير مجموعة من الزلازل التي تمثل الأخطار الزلزالية القريبة والبعيدة في الاتجاهين الطوالي والعرضي للجسر. النتائج من خلال التحليل الاستاتيكي اللاخطي متزايد الشدة ‎(IPA) والتحليل الديناميكي متزايد الشدة الزلزالية (IDA) تم توظيفها لتوفير نظرة متفحصة على الأداء الزلزالي لاعضاء الجسرالمختلفة وللجسر متعدد البحور قيد الدراسة بشكل عام لإنشاء دوال الهشاشة مع الأخذ بالإعتبار طرق التحديث الزلزالية وبدونها. التحليل غير المرن تحت تأثير السيناريوهين الزلزاليين القريب والبعيد أكدت أن الأداء الزلزالي واحتمالية أي أضرار بالجسر المدروس تتحكم بها ممطولية الانحناء للأعمدة (CD). احتمالية الضرر الزلزالي تكون أعلى للجسر المدروس تحت تأثير الزلازل بعيدة المدى وعند مستوي شدة زلزالية أقل من السيناريو قريب المدى. الاتجاه الطولي للجسر المدروس يكون أكثر ضعفا وتعرضا للخطر الزلزالي من الاتجاه العرضي. هناك طرق تحديث متعددة تمت دراستها لتحسين الأداء الزلزالي للجسر المدروس في الاتجاهين الأفقين الطولي والعرضي في حالتي الزلازل البعيدة والقريبة من مصدرالزلزال. أدت طرق التحديث الزلزالية إلى زيادة التحمل الجانبي للجسر ووفرت نتائج مقاربة لدراسات بحثية سابقة. نتائج التحليلات الغير مرنة في الاتجاه الطولي للجسر أكدت أن استخدام السبائك المحتفظة بذاكرة التشكل (SMA) بركائز الجسر قللت من المتطلبات الزلزالية لممطولية الانحناء للأعمدة ‎(CD) والتشكلات بركائز الجسر(BD) بالرغم من أن الدراسة التقييمية الاحتمالية الشاملة في الاتجاه العرضي أشارت إلى أن ركانز الجسر المدعمة بالسبائك المحتفظة بذاكرة التشكل (SMA) قللت من تشكلات الركائز(BD) تحت التأثير الزلزالي، يجب تحديث الجسر باستخدام الدعامات المقاومة للإلتواء (BRB) للتغلب على متطلبات ممطولية الانحناء للأعمدة، وتحديدا في السناريو الزلزالي الحرج بعيد المدى. لذلك، فطريقة التحديث الأكثر فاعلية في الاتجاه العرضي للجسر يمكن تحقيقها عبر استخدام ركائز مدعمة بالسبائك المحتفظة بذاكرة التشكل (SMA) مع الدعامات المقاومة للإلتواء (BRB). وفرت هذه الدراسة رؤية شاملة لتأثير مختلف الطرق التحديثية على تحسين الأداء الزلزالي للجسور الغير معيارية، كما قدمت العديد من دوال الهشاشة التي يمكن استخدامها لتقييم وتخفيف الأخطار الزلزالية على البنى التحتية.

Download
COinS