In this dissertation, dynamic response characteristics of suspension bridges are investigated for two important dynamic loads; i.e., wind and earthquake loads. For wind load, the effect of the geometric nonlinear stiffness of suspension bridges under random wind conditions is studied. For earthquake load, the nonstationary response characteristics of the bridges under random earthquake excitations at multiple supports are analyzed.
For the investigation of the nonlinear effect of suspension bridges under random wind loads, a frequency domain method based on a stochastic linearization technique is presented. The equation of motion is formulated by including the coupling between the vertical and the torsional motions. In the linearization procedure, the nonlinear stiffness terms are approximated as a sum of linear and constant terms in order to take into account the non-zero mean components as well as the fluctuating components of structural responses. Example analyses have been carried out on two structures for various wind speeds and wind force parameters. Numerical results indicate that the nonlinear effect becomes quite significant, particularly in the vertical direction, as the wind speed increases.
For the nonstationary response analysis of suspension bridges subjected to earthquake ground excitations at multiple supports, an efficient method to compute time dependent variance functions of the bridge response is developed. The equation of motion is formulated considering the vertical motions of the bridge only. The nonstationarity of the earthquake excitation is modelled by using a time varying envelope function. The correlation effects between ground excitations at different supports are investigated, utilizing particular cases of travelling seismic waves for various wave propagation velocities. The responses are obtained in terms of time dependent variance functions. Expected peak responses are also evaluated, thereafter. Numerical results from the example analysis indicate that the correlation effects between different support excitations are very significant for the response of the suspension bridge.
본 논문에서는 긴 경간을 가진 현수교의 거동해석시 가장 중요한 두가지 동적하중, 즉, 풍하중과 지진하중에 대한 현수교의 추계론적 응답해석 방법에 대하여 연구 하였다. 풍하중에 대하여는 랜덤 풍하중 하에서의 기하학적 비선형 강성의 영향을 효과적으로 고려할 수 있는 방법을 개발하였으며, 지진하중에 대하여는 교각 및 교대에서 상이한 지반운동을 받을 때의 비정상 거동특성을 해석하였다.
첫째로, 랜덤 풍하중하에서의 현수교의 기하학적 비선형 특성을 적절히 고려할 수 있는 주파수영역해법을 추계론적 선형화 기법을 통하여 개발하였다. 운동방정식은 교량 형의 수직 및 비틀림거동 간의 상관관계를 포함시켜 수식화하였다. 비선형 강성항의 선형화 과정에서는, 현수교의 변동하는 동적거동 성분과 평균 수평풍속에 의한 정적거동의 영향을 함께 적절히 고려할 수 있도록, 선형항과 상수항의 합으로 선형화하였다. 예제해석은 2개의 현수교를 대상으로 평균풍속과 풍하중 계수의 여러 값에 대하여 수행하였다. 수치해석 결과, 비틀림거동보다 수직거동이 비선형성의 영향을 많이 받음을 알 수 있었다.
다지지점 지진하중을 받는 현수교의 비정상 거동해석에 있어서는, 응답의 분산을 시간에 종속된 함수로서 효과적으로 구할 수 있는 방법을 연구하였다. 운동방정식은 수직거동에 대하여만 수식화하였으며, 지진하중의 비정상 성질은 포락선 함수를 이용하여 모형화하였다. 서로 다른 지지점에 작용하는 지진하중 간의 상관관계의 영향은 여러가지 경우의 전파되는 지진파에 대하여 분석하였다. 또한, 현수교의 비정상 거동응답에 대한 시간종속의 분산값과 함께 최대 거동응답의 기대치도 아울러 예측하였다. 예제해석 결과로부터, 현수교의 비정상 거동특성과 최대 응답이 다지지점에서의 지진하중간의 상관관계에 매우 큰 영향을 받고 있음을 알 수 있었다.
