For soft ground, a pile foundation is typically used as a substructure of transmission tower. However, differential settlement between the foundations can cause structural damage of transmission tower. The connected-pile foundation is a type of group foundation consisting of four foundations connected with beams, and it was suggested in USA and Japan. In this study, a series of 1/8 scale model pile tests were performed to investigate the effect of load direction and stiffness of connecting beam on the responses of connected-pile foundation. As a result, the load capacities of the connected-pile foundation were larger than those of the conventional group pile foundation. For example, under the given test conditions in this paper, the resistibility against differential settlement was improved significantly for connected-pile foundation and its efficiency was maximized when the stiffness of connecting beams is about 25% of the mat foundation.
Yang Wang;Mingxing Zhu;Guoliang Dai;Jiang Xu;Jinbiao Wu
Geomechanics and Engineering
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v.37
no.2
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pp.167-178
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2024
The natural frequency shift under cyclic environmental loads is a key issue in the design of monopile-based offshore wind power turbines because of their dynamic sensitivity. Existing evidence reveals that the natural frequency shift of the turbine system in sand is related to the varying foundation stiffness, which is caused by soil deformation around the monopile under cyclic loads. Therefore, it is an urgent need to investigate the effect of soil deformation on the system frequency. In the present paper, three generalized geometric models that can describe soil deformation under two-way cyclic loads are proposed. On this basis, the cycling-induced changes in soil parameters around the monopile are quantified. A theoretical approach considering three-spring foundation stiffness is employed to calculate the natural frequency during cycling. Further, a parametric study is conducted to describe and evaluate the frequency shift characteristics of the system under different conditions of sand relative density, pile slenderness ratio and pile-soil relative stiffness. The results indicate that the frequency shift trends are mainly affected by the pile-soil relative stiffness. Following the relevant conclusions, a design optimization is proposed to avoid resonance of the monopile-based wind turbines during their service life.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2004.04a
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pp.73-80
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2004
Mass matrix, elastic stiffness matrix, load correction stiffness matrix by circulatory non-conservative force, and Winkler and Pasternak foundation matrix of framed structure in 2-D are calculated for stability analysis of divergence or flutter system. Then, a matrix equation of the motion for the non-conservative system is formulated and numerical results are presented to demonstrate the effect of some parameters with using Newmark method.
Rad, A. Behravan;Farzan-Rad, M.R.;Majd, K. Mohammadi
Structural Engineering and Mechanics
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v.64
no.5
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pp.591-610
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2017
This paper is concerned with the static analysis of variable thickness of two directional functionally graded porous materials (FGPM) circular plate resting on a gradient hybrid foundation (Horvath-Colasanti type) with friction force and subjected to compound mechanical loads (e.g., transverse, in-plane shear traction and concentrated force at the center of the plate).The governing state equations are derived in terms of displacements based on the 3D theory of elasticity, assuming the elastic coefficients of the plate material except the Poisson's ratio varying continuously throughout the thickness and radial directions according to an exponential function. These equations are solved semi-analytically by employing the state space method (SSM) and one-dimensional differential quadrature (DQ) rule to obtain the displacements and stress components of the FGPM plate. The effect of concentrated force at the center of the plate is approximated with the shear force, uniformly distributed over the inner boundary of a FGPM annular plate. In addition to verification study and convergence analysis, numerical results are displayed to show the effect of material heterogeneity indices, foundation stiffness coefficients, foundation gradient indices, loads ratio, thickness to radius ratio, compressibility, porosity and friction coefficient of the foundation on the static behavior of the plate. Finally, the responses of FG and FG porous material circular plates to compound mechanical loads are compared.
An analytical solution based on the neutral surface concept is developed to study the free vibration behavior of simply supported functionally graded plate reposed on the elastic foundation by taking into account the effect of transverse shear deformations. No transversal shear correction factors are needed because a correct representation of the transversal shearing strain obtained by using a new refined shear deformation theory. The foundation is described by the Winkler-Pasternak model. The Young's modulus of the plate is assumed to vary continuously through the thickness according to a power law formulation, and the Poisson ratio is held constant. The equation of motion for FG rectangular plates resting on elastic foundation is obtained through Hamilton's principle. Numerical examples are provided to show the effect of foundation stiffness parameters presented for thick to thin plates and for various values of the gradient index, aspect and side to thickness ratio. It was found that the proposed theory predicts the fundamental frequencies very well with the ones available in literature.
The effect of porosity on bending and free vibration behavior of simply supported functionally graded plate reposed on the Winkler-Pasternak foundation is investigated analytically in the present paper. The modified rule of mixture covering porosity phases is used to describe and approximate material properties of the FGM plates with porosity phases. The effect due to transverse shear is included by using a new refined shear deformation theory. The number of unknown functions involved in the present theory is only four as against five or more in case of other shear deformation theories. The Poisson ratio is held constant. Based on the sinusoidal shear deformation theory, the position of neutral surface is determined and the equation of motion for FG rectangular plates resting on elastic foundation based on neutral surface is obtained through the minimum total potential energy and Hamilton's principle. The convergence of the method is demonstrated and to validate the results, comparisons are made with the available solutions for both isotropic and functionally graded material (FGM). The effect of porosity volume fraction on Al/Al2O3 and Ti-6Al-4V/Aluminum oxide plates are presented in graphical forms. The roles played by the constituent volume fraction index, the foundation stiffness parameters and the geometry of the plate is also studied.
The pile group foundation is widely used for gravity pier of high-speed railway bridges in China. If a moderate or strong earthquake occurs, the pile-surrounding soil will exhibit obvious nonlinearity and significant pile group effect. In this study, an improved pushover analysis model for the pile group foundation with consideration of pile group effect is presented and validated by the quasi-static test. The improved model uses simplified springs to simulate the soil lateral resistance, side friction and tip resistance. PM (axial load-bending moment) plastic hinge model is introduced to simulate the impact of the axial force changing of pile group on their elastic-plastic characteristics. The pile group effect is considered in stress-stain relations of the lateral soil resistance with a reduction factor. The influence factors on nonlinear characteristics and plastic hinge distribution of the pile group foundation are discussed, including the pier height, longitudinal reinforcement ratio and stirrup ratio of the pile, and soil mechanical parameters. Furthermore, the displacement ductility factor, resistance increase factor and yielding stiffness ratio are provided to evaluate the seismic performance of soil-pile system. A case study for the pile group foundation of a railway simply supported beam bridge with a 32 m-span is conducted by numerical analysis. It is shown that the ultimate lateral force of pile group is not determined by the yielding force of the single one in these piles. Therefore, the pile group effect is essential for the seismic performance evaluation of the railway bridge with pile group foundation.
The stress distribution and the critical stresses in concrete pavements were analyzed using formulations in the transformed field domains when dual-wheel single-, tandem-, and tridem-axle loads were applied. First the accuracy of the transformed field domain analysis results was verified by comparing with the finite element analysis results. Then, the stress distribution along the longitudinal and transverse directions was investigated, and the effects of slab thickness, concrete elastic modulus, and foundation stiffness on the stress distribution were studied. The effect of the tire contact pressure related to the tire print area was also studied, and the location of the critical stress occurrence in concrete pavements was finally investigated. From this study, it was found that the critical concrete stress due to multi-axle loads became larger as the concrete elastic modulus increased, the slab thickness increased, and the foundation stiffness decreased. The number of axles did not tend to affect the critical stress ratio except for a small foundation stiffness value with which the critical stress ratio became significantly larger as the number of axles increased. The critical stress location in the transverse direction tended to move into the interior as the tire contact pressure increased, the concrete elastic modulus increased, the slab thickness increased, and the foundation stiffness decreased. The critical stress location in the longitudinal direction was under the axle for single- and tandem-axle loads, but for tridem-axle loads, it tended to move under the middle axle from the outer axles as the concrete elastic modulus and/or slab thickness increased and the foundation stiffness decreased.
The present study deals with static and dynamic behaviors including forced vibrations of an elastic rectangular nano plate on the two-parameter foundation. Firstly, the rectangular plate is assumed to be subjected to uniformly distributed and eccentrically applied concentrated loads. The governing equations of the problem are derived by considering the dynamic response of the plate, employing a series of the Chebyshev polynomials for the displacement function and applying the Galerkin method. Then, effects of the non-essential boundary conditions of the plate, i.e., the boundary conditions related to the shearing forces, the bending moments and the corner forces, are included in the governing equation of motion to compensate for the non-satisfied boundary conditions and increase the accuracy of the Galerkin method. The approximate numerical solution is accomplished using an iterative process due to the non-linearity of the unilateral property of the two-parameter foundation. The plate under static concentrated load is investigated in detail numerically by considering a wide range of parameters of the plate and the foundation stiffnesses. Numerical treatment of the problem in the time domain is carried out by assuming a stepwise variation of the concentrated load and the linear acceleration procedure is employed in the solution of the system of governing differential equations derived from the equation of motion. Time variations of the contact region and those of the displacements of the plate are presented in the figures for various numbers of the two-parameter of the foundation, as well as the classical and nano parameters of the plate particularly focusing on the non-linearity of the problem due to the plate lift-off from the unilateral foundation. The effects of classical and nonlocal parameters and loading are investigated in detail. Definition of the separation between the plate and the two-parameter foundation is presented and applied to the given problem. The effect of the lift-off on the static and dynamic behavior of the rectangular plate is studied in detail by considering various loading conditions. The numerical study shows that the effect of nonlocal parameters on the behavior of the plate becomes significant, when nonlinearity becomes more profound, due to the lift-off of the plate. It is seen that the size effects are significant in static and dynamic analysis of nano-scaled rectangular plates and need to be included in the mechanical analyses. Furthermore, the corner displacement of the plate is affected more significantly from the lift-off, whereas it is less marked in the time variation of the middle displacement of the plate. Several numerical examples are presented to examine the sensibility of various parameters associated with nonlocal parameters of the plate and foundation. Both stiffening and softening nonlocal parameters behavior of the plate are identified in the numerical solutions which show that increasing the foundation stiffness decreases the extent of the contact region, whereas the stiffness of the shear layer increases the contact region and reduces the foundation settlement considerably.
Most of the portal frames are designed these days by the application of plastic analysis, with the normal assumption being made that the column bases are pinned. However, the couple produced by the compression action of the inner column flange and the tension in the holding down bolts will inevitably generate some moment resistance and rotational stiffness. Full-scale portal frame tests conducted during a previous research program had suggested that this moment can be as much as 20% of the moment of resistance of the column. The size of this moment of resistance is particularly important for the design of the tensile capacity of the holding down bolts and also the bearing resistance of the foundation. The present research program is aiming at defining this moment of resistance in simple design terms so that it could be included in the design of the frame. The investigation also included the study of the semi-rigid behaviour of the column base/foundation, which, to a certain extent, affects the overall loading capacity and stiffness of the portal frames. A series of column bases with various details were tested and were used to calibrate a finite element model which is able to simulate the action of the holding down bolts, the effect of the concrete foundation and the deformation of the base plate.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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