NONLINEAR BEHAVIOR OF SKEWED HIGHWAY BRIDGES IN SEVERE EARTHQUAKES (CASE STUDY: OF FOOTHILL BOULEVARD UNDERCROSSING IN THE 1971 SAN FERNANDO EARTHQUAKE
D u e t o t h e c o m p l e x i t y o f i n t e r c h a n g e f o r m s a n d t h e l a c k o f s p a c e a n d l a n d o w n e r s h i p p r o b l e m s i n u r b a n a r e a s, i n o r d e r t o u t i l i z e l i m i t e d s p a c e o p t i m a l l y, b r i d g e d e s i g n e r s o f t e n t e n d t o u s e s k e w e d h i g h w a y b r i d g e s t o c a r r y t r a f f i c i n u r b a n t r a n s p o r t a t i o n s y s t e m s o f m e t r o p o l i s e s. D u e t o i t s s p e c i a l g e o m e t r y, t h i s t y p e o f h i g h w a y b r i d g e s h o w s u n i q u e a n d c o m p l e x b e h a v i o r d u r i n g s t r o n g e a r t h q u a k e s. T h e s e i s m i c b e h a v i o r o f s k e w e d h i g h w a y b r i d g e s i n p a s t e a r t h q u a k e s h a s r e v e a l e d t h a t t h e y a r e m o r e s u s c e p t i b l e t o s e i s m i c d a m a g e c o m p a r e d t o s t r a i g h t h i g h w a y b r i d g e s h a v i n g r e g u l a r g e o m e t r y. H e n c e, o v e r s e v e r a l p a s t d e c a d e s, d i f f e r e n t r e s e a r c h e r s h a v e m a d e a n e f f o r t t o i n v e s t i g a t e t h e u n i q u e s e i s m i c r e s p o n s e o f s k e w e d h i g h w a y b r i d g e s. D u e t o t h e i n a c c e s s i b i l i t y a n d h i g h c o s t o f e f f i c i e n t s o f t w a r e p a c k a g e s t h a t a r e c a p a b l e o f n o n l i n e a r a n a l y s i s, t h e r e c o g n i t i o n a n d d e t e r m i n a t i o n o f e f f e c t i v e p a r a m e t e r s i n t h e s e i s m i c b e h a v i o r o f t h i s t y p e o f b r i d g e i s n o t s o e a s y. T h e a i m o f t h i s r e s e a r c h i s t h e n u m e r i c a l m o d e l i n g o f t h e n o n l i n e a r b e h a v i o r o f s k e w e d h i g h w a y b r i d g e s a n d t h e r e c o g n i t i o n o f e f f e c t i v e a n d i m p o r t a n t p a r a m e t e r s t h a t a f f e c t t h e i r s e i s m i c b e h a v i o r. A s a n u m e r i c a l e x a m p l e, t h e s o u t h e a s t e r n b r i d g e o f F o o t h i l l B o u l e v a r d U n d e r c r o s s i n g i s m o d e l e d i n O p e n S e e s. T h e s o f t w a r e i s a n o p e n s o u r c e a n d a v a i l a b l e t h r o u g h t h e o f f i c i a l w e b s i t e. I n t h i s s t u d y, t h e s e i s m i c r e s p o n s e o f t h i s s k e w e d h i g h w a y b r i d g e i s i n v e s t i g a t e d a n d c o m p a r e d t o t h e c o r r e s p o n d i n g s t r a i g h t h i g h w a y b r i d g e d u r i n g t h e 1971 S a n F e r n a n d o g r o u n d m o t i o n r e c o r d e d i n P a k o i m a D a m. T h e b r i d g e s u f f e r e d s e v e r e d a m a g e d u r i n g t h e 1971 S a n F e r n a n d o E a r t h q u a k e. T h e d e t a i l s o f d a m a g e t o t h e b r i d g e, a s w e l l a s t h e g e o m e t r i c a n d t e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n s o f t h e s t r u c t u r e, a r e a v a i l a b l e h r o u g h o b s e r v a t i o n r e p o r t s a n d r e s e a r c h p a p e r s. A D u a l-B e a m S t i c k M o d e l w a s e m p l o y e d t o m o d e l t h e b e h a v i o r o f t h e d e c k, i n c l u d i n g s k e w n e s s e f f e c t s. ``E l a s t i c B e a m C o l u m n'' e l e m e n t s w e r e u t i l i z e d f o r t h e c a p b e a m a n d d e c k e l e m e n t s. F o r t h e c o l u m n e l e m e n t s, h o w e v e r, d u e t o t h e i r n o n l i n e a r b e h a v i o r, ``N o n l i n e a r B e a m C o l u m n s'' w e r e a p p l i e d. M o d a l a n a l y s i s, a s w e l l a s n o n l i n e a r t i m e h i s t o r y a n a l y s i s, w a s p e r f o r m e d. L o n g i t u d i n a l a n d t r a n s v e r s e d i s p l a c e m e n t a n d r o t a t i o n o f t h e d e c k, t o r s i o n a s w e l l a s a x i a l f o r c e, a n d t h e s h e a r a n d f l e x u r a l d e m a n d s o n t h e c o l u m n s w e r e c a l c u l a t e d. T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e a x i a l f o r c e a n d t o r s i o n o f t h e c o l u m n s a t t h e m i d d l e p i e r i n t h e m o d e l o f t h e s k e w e d b r i d g e a r e l a r g e r t h a n t h o s e o f t h e s t r a i g h t b r i d g e m o d e l, s u c h t h a t, t h e f a i l u r e o f c o l u m n s b a s e d o n t h i s r e s u l t i s p r e d i c t a b l e.
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