Dynamic properties and seismic response of the cable structures and towers of the Arecibo Observatory

Abstract

This investigation was requested by the staff of the Arecibo Observatory to determine whether the towers and cables that support the suspended platform are capable of resisting a maximum-credible earthquake in the elastic regime. The Arecibo Observatory is one of the most important research centers in the world for astronomic and ionospheric studies and thus maintaining its structural integrity is a top priority. Modal analysis is performed on detailed three-dimensional finite element models to determine the natural response. Three different types of modes are revealed - platform modes, tower modes and cable modes - in addition to strong interactions between them. Very strong interaction modes are recorded in the range of periods between 1.8 and 0.7 seconds. Modal time-history linear analyses are performed to determine the seismic response. Nonlinear direct-integration time history analysis with large displacements yield nearly identical results which validates the modal time-history linear analysis. Five different earthquake records are considered in the final seismic studies. These represent the expected range of seismic hazards for Puerto Rico. The towers are nearly capable of resisting in the elastic regime the seismic loading specified by the UBC-97 building code. However, the top two segments of the towers narrowly exceed their elastic moment capacity. The towers do not tolerate, and could even collapse, if exposed to the higher seismic demands expected in the cities of Ponce and Mayagüez. A preliminary retrofit investigation shows that the use of Fiber Reinforced Polymers (FRP) is the best alternative to boost the moment capacity of the towers to a comfortable level. This alternative requires further research into the capacity, durability and cost of this option. Several alternative locations for the placement of accelerometers are recommended.

Esta investigación fue solicitada por el personal del Observatorio de Arecibo para determinar si las torres y los cables que sostienen la plataforma suspendida son capaces de resistir un terremoto máximo-probable en el régimen elástico. El Observatorio de Arecibo es uno de los centros de investigación astronónomica e ionosférica más importantes del mundo, y la conservación de su integridad estructural es una prioridad. Se utiliza análisis modal para determinar la respuesta vibratoria natural con modelos de elementos finitos en tres dimensiones. Se hallan tres diferentes tipos de modos de vibración – modos de la plataforma, modos de las torres, y modos de los cables – en adición a fuertes interacciones entre ellos. Las interacciones más fuertes se encuentran en el intervalo de periodos entre 1.8 – 0.7 seg. Se utiliza la técnica de superposición modal para hallar la respuesta sísmica. Esta técnica lineal se validó al hallar resultados muy comparables con un análisis no-lineal considerando grandes desplazamientos y basado en técnicas de integración directa. Se utilizaron los registros de cinco diferentes terremotos para el estudio sísmico final. Estos representan la gama de peligrosidad sísmica para Puerto Rico. Las torres estuvieron muy cercanas a cumplir en el régimen elástico con la demanda sísmica especificada por el código UBC-97. Sin embargo, los dos segmentos superiores de las torres no cumplen por un escaso margen. De ser expuestas a las demandas sísmicas esperadas para las ciudades de Ponce y Mayagüez, las torres sufrirían deformaciones plásticas y podrían colapsar. Una investigación preliminar muestra que el uso de polímeros reforzados con fibras (FRP, por sus siglas en inglés) representa la mejor alternativa para cómodamente asegurar la respuesta elástica de las torres durante un sismo máximo-probable. Se requieren investigaciones adicionales con respecto a la capacidad, durabilidad y costo de los FRP. Se recomiendan varias localizaciones en el Observatorio para colocar acelerómetros.