Seismic evaluation of existing reinforced concrete bridges in Karachi (Pakistan) with lightweight concrete in deck slab

• Autorzy: Mohammad Aslam Faqeer , Khan Rashid Ahmed , Nasir Raza , Mohammad Hafiz Asher , Iqbal Fasih

Identyfikatory

DOI

10.7409/rabdim.025.009

Warianty tytułu

PL

Ocena stanu mostów żelbetowych z płytą pomostową z betonu lekkiego użytkowanych na terenie Karachi w Pakistanie z uwzględnieniem występujących tam zjawisk sejsmicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Bridges are lifeline structures and vulnerable to significant damage particularly in earthquake prone region like Karachi. The paper evaluated the seismic response of existing prototype reinforced concrete (RC) bridges in Karachi as a function of their economic and commercial importance. Three case study bridges with different configurations in sub and super-structures were identified from authorized stakeholders and evaluated for overall response with and without lightweight concrete (LWC) in deck slab. A detailed nonlinear finite element model of each case-study bridge has been developed and analyzed through nonlinear static pushover analysis. The behavioral changes were investigated in terms of engineering demand parameters including base shear and displacement in bridge pier along with fragility functions for both the cases. Results showed that seismic demand in terms of base shear and displacement in bridge pier curtailed in case of LWC as compared to normal weight concrete (NWC). The average reduction in base shear is 7% and in displacement it is around 6%. Furthermore, damage capacities obtained from fragility functions for different limit states increased from minor to collapse limit states in LWC as compared to counterpart. This increment 2-7% in Bridge-I, 6-12% in Bridge-II and 3-6% in Bridge-III were observed from minor to collapse damage states.

PL

Mosty to konstrukcje o długotrwałym okresie eksploatacji, które w regionach takich jak Karaczi w Pakistanie narażone są na znaczące uszkodzenia w wyniku występujących tam trzęsień ziemi. W artykule oceniono odporność na zjawiska sejsmiczne aktualnie użytkowanych na terenie ww. aglomeracji konstrukcji mostowych wykonanych z żelbetu RC (ang. reinforced concrete) w kontekście ich znaczenia ekonomicznego. Na podstawie decyzji ich zarządców wytypowano do badań trzy obiekty mostowe o różnych konstrukcjach posadowienia oraz odmiennej konstrukcji płyty pomostowej: wykonanej w części z betonu lekkiego LWC (ang. lightweight concrete) lub w całości z betonu zwykłego NWC (ang. normal weight concrete). Opracowano model MES każdej konstrukcji, a następnie w celu wykazania przydatności wbudowania betonu lekkiego (LWC) w płytę pomostu, przeprowadzono analizę w zakresie nieliniowym aż do zniszczenia konstrukcji (ang. pushover analysis). Wpływ oddziaływań sejsmicznych na trwałość konstrukcji mostowych z płytą pomostową LWC bądź NWC, zbadano pod kątem określenia wymaganych wartości parametrów wytrzymałościowych na ścinanie, przemieszczenie i pękanie filarów. Wyniki badań wykazały, że w przypadku zastosowania w płycie pomostowej - betonu lekkiego LWC, odporność konstrukcji na obciążenia sejsmiczne jest większa w stosunku do wytrzymałości obiektów z pomostem wykonanym w całości z betonu konwencjonalnego NWC. Wykazano, że wytrzymałość na ścinanie zmniejszyła się średnio o około 7%, a przemieszczenie podpór o około 6%. Ponadto, odporność na kruche pęknięcia, określona dla różnych stanów granicznych uszkodzeń, była większa dla mostu z płytą LWC w porównaniu z konstrukcją, w której pomost wykonany był w całości z betonu NWC. Ten wzrost odporności wynosił odpowiednio: 2-7% – w przypadku Mostu-I, 6-12% – w przypadku Mostu-II oraz 3-6% – w przypadku Mostu-III.

Słowa kluczowe

EN

damage matrix; fragility functions; lightweight concrete LWC; pushover analysis; seismic phenomena; vulnerability

PL

beton lekki LWC; funkcje kruchości; macierz uszkodzeń; nieliniowa analiza statyczna; podatność; zjawiska sejsmiczne

• Wydawca: Instytut Badawczy Dróg i Mostów
• Czasopismo: Roads and Bridges - Drogi i Mosty
• Rocznik: 2025
• Tom: Vol. 24, no. 2
• Strony: 193--203
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Mohammad Aslam Faqeer

• NED University of Engineering and Technology, Department of Civil Engineering, University Road, Karachi 75270, Pakistan

• https://orcid.org/0000-0002-2552-5466

autor

Khan Rashid Ahmed

• NED University of Engineering and Technology, Department of Earthquake Engineering, University Road, Karachi 75270, Pakistan

• https://orcid.org/0009-0009-7198-8726

autor

Nasir Raza

• NED University of Engineering and Technology, Department of Civil Engineering, Karachi 75270, Pakistan

• https://orcid.org/0009-0008-1074-7809

autor

Mohammad Hafiz Asher

• NED University of Engineering and Technology, Department of Civil Engineering, Karachi 75270, Pakistan

• https://orcid.org/0000-0003-2209-7440

autor

Iqbal Fasih

• NED University of Engineering and Technology, Department of Civil Engineering, Karachi 75270, Pakistan

• https://orcid.org/0009-0003-5164-7541

Bibliografia

• 1. Muhammad A., Lodi S.H., Rafi M.M.: Probabilistic seismic hazard analysis based zoning map of Pakistan. Journal of Earthquake Engineering, 26, 1, 2019, 271-306, DOI: 10.1080/13632469.2019.1684401
• 2. Khan R.A., Kumar M., Ahmed M., Rafi M.M., Lodi S.H.: Earthquake damage assessment of bridges in Karachi. NED University Journal of Research – Structural Mechanics, XII, 3, 2015, 45-61
• 3. Ali S.A., Khan A.N., Rehman S., Reinhorn A.M.A.: Survey of damages to bridges in Pakistan after the major earthquake of 8 October 2005. Earthquake Spectra; 27, 4, 2011, 947-970, DOI: 10.1193/1.3650477
• 4. Omranian E., Abdelnaby A., Abdollahzadeh G., Rostamian M., Hosseinpour A.F.: Fragility curve development for the seismic vulnerability assessment of retrofitted RC bridges under mainshock-aftershock seismic sequences. Proceedings of the Structures Congress 2018 “Bridges, Transportation Structures, and Nonbuilding Structures”, ASCE, 2018, 308-316, DOI: 10.1061/9780784481332.028
• 5. Kappos A.J.: Seismic design of bridges: Present and future. In: Proceedings of 16th European Conference on Earthquake Engineering – Thessaloniki 2018 “Recent Advances in Earthquake Engineering in Europe”, Springer, 2018, 459-499, DOI: 10.1007/978-3-319-75741-4_20
• 6. West Pakistan Highway Code (WPHC) of Practice Highway Bridges by Saeed Ahmed T.Pk. P.S.E.-1 Director General Highways; 1967, (available from the authors)
• 7. LRFD bridge design specifications. AASHTO, Washington, USA, 2007
• 8. Seismic retrofitting manual for highway structures: part 1: bridges. FHWA, Washington, USA, 2006
• 9. Amin C.M.T.: Proposed changes to the Pakistan Highway Bridge Design code for seismic design of reinforced concrete bridge piers. Proceedings of Conference "Pakistan Engineering Congress", 66 Annual session, paper No. 561, Lahore, 1996
• 10. Qureshi S.M., Masood T.: Soft soil response of a bridge pier. Proceedings of the Eleventh World Conference on Earthquake Engineering; Acapulco, Mexico, 1996, paper No. 1683
• 11. Raithby K.D., Lydon F.D.: Lightweight concrete in highway bridges. International Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete. 3, 2, 1981, 133-146, DOI: 10.1016/0262-5075(81)90007-5
• 12. Zareh M.: Comparative study of lightweight and standard weight concrete in flexure. Portland State University, M.S. Thesis, 1971, paper No. 1483, DOI: 10.15760/etd.1481
• 13. Building code of Pakistan, Seismic Provisions – 2007. Government of Pakistan – Ministry of Housing & Works, https://urbanunit.gov.pk/Download/publications/Files/8/2021/Pakistan%20Building%20Code%202007.pdf (12.05.2025)
• 14. Wai-Fah Chen, Duan L.: Dynamic analysis. In: Bridge Engineering Handbook, Seismic design. CRC Press, Boca Raton, 2014, DOI: 10.1201/b15663
• 15. Freeman S.A.: Response spectra as a useful design and analysis tool For practicing structural engineers. ISET Journal of Earthquake Technology, 44, 1, 2007, 25-37, paper No. 475, https://home.iitk.ac.in/~vinaykg/Iset475.pdf (12.05.2025)
• 16. Yurtaev V., Shafiei R.: Pushover analysis of long span bridge bents. In: Engineering Seismology, Geotechnical and Structural Earthquake Engineering, IntechOpen, 2013, 237-256, DOI: 10.5772/52728
• 17. Comartin C.D., Niewiarowski R.W.: Seismic evaluation and retro fit of concrete building, Vol. 1. Applied Technology Council, ATC-40, California, USA, 1996, https://www.atcouncil.org/pdfs/atc40toc.pdf (12.05.2025)
• 18. Chopra A.K.: Dynamics of structures: Theory and applications to earthquake engineering. 6th Edition, Prentice-Halls, New Jersey, 1995
• 19. Lagomarsino S., Giovinazzi S.: Macroseismic and mechanical models for the vulnerability and damage assessment of current buildings. Bulletin of Earthquake Engineering, 4, 4, 2006, 415-443, DOI: 10.1007/s10518-006-9024-z
• 20. HAZUS Estimated annualized earthquake losses for the United States. U.S. Department of Homeland Security, FEMA P-366, Washington, D.C., USA, 2023, https://www.fema.gov/sites/default/files/documents/fema_p-366-hazus-estimated-annualized-earthquake-losses-united-states.pdf (2.06.2025)