This paper presents a modeling method for the vibration analysis of rotating cantilever beams considering the elastic foundation effect. Mass and stiffness matrices are derided explicitly by considering coupling effect between stretching and bonding motion. Numerical results show that the bending direction elastic foundation stiffness influences the vibration characteristics significantly in practical range of beam configuration. The ranges of elastic foundation stiffness to avoid the dynamic buckling are also presented. The method presented in this paper can be used to predict the variations of natural frequencies of rotating cantilever beams with elastically restrained root.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2002.03a
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pp.187-194
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2002
Bridge dynamic behaviors and the failure of the foundation are examined in this study under seismic excitations including the local scour effect. The simplified mechanical model, which can consider the effect of various influence elements, is proposed to simulate the bridge motions. The scour depths around the foundations are estimated by the CSU equation recommended by the HEC-18 and the local scour effect upon global bridge motions is then considered by applying various foundation stiffness based upon the reduced embedded depths. From the simulation results, it is found that seismic responses of a bridge with the same scour depth for both foundations increase due to the local scour effect. The bridge scour is found to be significant under weak and moderate seismic intensity. The recovery durations of the foundation stiffness after local scour are found to be critical in the estimation of the probability of foundation failure under earthquakes. Therefore, the safety of the whole bridge system should be conducted with the consideration of the scour effect upon the foundations and the recovery duration of stiffness should be determined rationally.
For the spatially coupled free vibration analysis of composite box beams resting on elastic foundation under the axial force, the exact solutions are presented by using the power series method based on the homogeneous form of simultaneous ordinary differential equations. The general vibrational theory for the composite box beam with arbitrary lamination is developed by introducing Vlasov°Øs assumption. Next, the equations of motion and force-displacement relationships are derived from the energy principle and explicit expressions for displacement parameters are presented based on power series expansions of displacement components. Finally, the dynamic stiffness matrix is calculated using force-displacement relationships. In addition, the finite element model based on the classical Hermitian interpolation polynomial is presented. To show the performances of the proposed dynamic stiffness matrix of composite box beam, the numerical solutions are presented and compared with the finite element solutions using the Hermitian beam elements and the results from other researchers. Particularly, the effects of the fiber orientation, the axial force, the elastic foundation, and the boundary condition on the vibrational behavior of composite box beam are investigated parametrically. Also the emphasis is given in showing the phenomenon of vibration mode change.
The spatially coupled buckling, in-plane, and lateral bucking analyses of thin-walled Timoshenko curved beam with non-symmetric, double-, and mono-symmetric cross-sections resting on elastic foundation are performed based on series solutions. The stiffness matrices are derived rigorously using the homogeneous form of the simultaneous ordinary differential equations. The present beam formulation includes the mechanical characteristics such as the non-symmetric cross-section, the thickness-curvature effect, the shear effects due to bending and restrained warping, the second-order terms of semitangential rotation, the Wagner effect, and the foundation effects. The equilibrium equations and force-deformation relationships are derived from the energy principle and expressions for displacement parameters are derived based on power series expansions of displacement components. Finally the element stiffness matrix is determined using force-deformation relationships. In order to verify the accuracy and validity of this study, the numerical solutions by the proposed method are presented and compared with the finite element solutions using the classical isoparametric curved beam elements and other researchers' analytical solutions.
Lee, Kyung-Koo;Park, Hong-Gun;Noh, Jung-Tae;Lee, Sang-Hyun;Chung, Lan
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2009.05a
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pp.113-114
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2009
The efficient foundation design of apartment buildings needs to include the effect of upper structure on foundation behavior. In this study, a foundation design method effectively considering upper structure stiffness using finite element analysis program is proposed. The analytical study showed that the proposed method reduces the allowable soil pressure under foundation and the amount of reinforcement as well as concrete for foundation.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2002.04a
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pp.166-173
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2002
Seismic bridge failure due to the combined effects of earthquake and local scour are examined in probabilistic perspectives. The seismic responses of multi-span continuous bridge with deep foundations are evaluated with a simplified mechanical model. The probabilistic local scour depths around the deep foundations are estimated by using the Monte Carlo simulation. From the simulation results, it is found that seismic responses of a bridge slightly increase due to the local scour effect. The effect of local scour on the global motion of the continuous bridge is found to be significant under weak seismic intensity. In addition, the duration to regain its original foundation stiffness is critical in estimating the probability of foundation failure under earthquake. Therefore, the duration in recovering the foundation stiffness should be determined reasonably and the safely of the whole bridge system should be evaluated by considering the scour effect.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2009.09a
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pp.157-171
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2009
A 151 storey super high-rise building located in an area of reclaimed land constructed over soft marine clay in Songdo, Korea is currently under design. This paper describes the design process of the foundation system of the supertall tower, which is required to support the large building vertical and lateral loads and to restrain the horizontal displacement due to wind and seismic forces. The behaviour of the foundation system due to these loads and foundation stiffness influence the design of the building super structure, displacement of the tower, as well as the raft foundation design. Therefore, the design takes in account the interactions between soil, foundation and super structure, so as to achieve a safe and efficient building performance. The site lies entirely within an area of reclamation underlain by up to 20m of soft to firm marine silty clay, which overlies residual soil and a profile of weathered rock. The nature of the foundation rock materials are highly complex and are interpreted as possible roof pendant metamorphic rocks, which within about 50m from the surface have been affected by weathering which has reduced their strength. The presence of closely spaced joints, sheared and crushed zones within the rock has resulted in deeper areas of weathering of over 80m present within the building footprint. The foundation design process described includes the initial stages of geotechnical site characterization using the results of investigation boreholes and geotechnical parameter selection, and a series of detailed two- and three-dimensional numerical analysis for the Tower foundation comprising over 172 bored piles of varying length. The effect of the overall foundation stiffness and rotation under wind and seismic load is also discussed since the foundation rotation has a direct impact on the overall displacement of the tower.
This paper presents the results of an investigation on the effect of foundation stiffness on the performance of soil-reinforced segmental retaining walls (SRWalls). Laboratory model tests were performed using a reduced-scale physical model to capture the fundamentals of the manner in which the foundation stiffness affects the behavior of SRWalls. A series of finite-element analyses were additionally performed on a prototype wall in order to supplement the findings from the model tests and to examine full-scale behavior of SRWalls encountered in the field. The results of the present investigation indicate that lateral wall displacements significantly increase with the decrease of the foundation stiffness. Also revealed is that the increase in wall displacements is likely to be caused by the rigid body movement of the reinforced soil mass with negligible internal deformation within the reinforced soil mass. The findings from this study support the current design approaches, in which the problem concerning the foundation condition are treated in the frame work of the external stability rather than the internal stability. The implications of the findings from this study to current design approaches are discussed in detail.
Cement stabilisation is a common method for stabilising recycled road base material and provides a longer pavement life. With cement effect, the increment of stiffness in the stabilised layer would provide better load transfer to the pavement foundation. The recycling method provides an environmentally option as the existing road base materials will not be removed. This paper presents a case study of a trial section along the North-South Expressway in West Malaysia, where the Falling Weight Deflectometer (FWD) was implemented to evaluate the compressive strength and in-situ stiffness of the cement stabilised road base material. The improvement in stiffness of the cement stabilised base layer was monitored, and samples were tested during the trial. FWD was found to be useful for the structural assessment of the cement-stabilised base layer prior to placement of asphalt layers. Results from the FWD were applied to verify the assumed design parameters for the pavement. Using the FWD, an empirical correlation between the deflection and the stiffness modulus of the pavement foundation is proposed.
The soil-structure relative stiffness is a key factor affecting the seismic response of underground structures. It is of great significance to study the soil-structure relative stiffness for the soil-structure interaction and the seismic disaster reduction of subway stations. In this paper, the dynamic shear modulus ratio and damping ratio of an inhomogeneous soft soil site under different buried depths which were obtained by a one-dimensional equivalent linearization site response analysis were used as the input parameters in a 2D finite element model. A visco-elasto-plastic constitutive model based on the Mohr-Coulomb shear failure criterion combined with stiffness degradation was used to describe the plastic behavior of soil. The damage plasticity model was used to simulate the plastic behavior of concrete. The horizontal and vertical relative stiffness ratios of soil and structure were defined to study the influence of relative stiffness on the seismic response of subway stations in inhomogeneous soft soil. It is found that the compression damage to the middle columns of a subway station with a higher relative stiffness ratio is more serious while the tensile damage is slighter under the same earthquake motion. The relative stiffness has a significant influence on ground surface deformation, ground acceleration, and station structure deformation. However, the effect of the relative stiffness on the deformation of the bottom slab of the subway station is small. The research results can provide a reference for seismic fortification of subway stations in the soft soil area.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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