In this paper, a two-dimensional transient ground-coupled numerical model for slab-on-grade foundation is developed and integrated into EnergyPlus. A validation analysis is first presented to ensure that for the developed building foundation heat transfer module is properly implemented within EnergyPlus. Then, the predictions from the developed model are compared to those obtained from the simplified building foundation model currently used in EnergyPlus. The results show that the developed foundation heat transfer module accounts better for the effects of the ground thermal mass attributed to the ground than the simplified foundation model currently used in EnergyPlus.
The long-term performance of plates resting on viscoelastic foundations is a major concern in the analysis of soil-structure interaction. As a powerful mathematical tool, fractional calculus may address these plate-on-foundation problems. In this paper, a fractionalized Zener model is proposed to study the time-dependent behavior of a uniformly loaded rectangular thin foundation plate. By use of the viscoelastic-elastic correspondence principle and the Laplace transforms, the analytical solutions were obtained in terms of the Mittag-Leffler function. Through the analysis of a numerical example, the calculated plate deflection, bending moment and foundation reaction were compared to those from ideal elastic and standard viscoelastic models. It is found that the upper and lower bound solutions of the plate response estimated by the proposed model can be determined using the elastic model. Based on a parametric study, the impacts of model parameters on the long-term performance of a foundation plate were systematically investigated. The results show that the two spring stiffnesses govern the upper and lower bound solutions of the plate response. By varying the values of the fractional differential order and the coefficient of viscosity, the time-dependent behavior of a foundation plate can be accurately captured. The fractional differential order seems to be dependent on the mechanical properties of the ground soil. A sandy foundation will have a small fractional differential order while in order to simulate the creeping of clay foundation, a larger fractional differential order value is needed. The fractionalized Zener model is capable of accounting for the primary and secondary consolidation processes of the foundation soil and can be used to predict the plate performance over many decades of time.
현재 해상풍력시스템의 거동 해석은 지반을 고정단으로 가정한 채로 수행하는 것이 일반적이라고 알려져 있다. 지반의 연성이 고려될 경우 해상풍력시스템의 고유 주파수뿐만 아니라 기초구조물 설계를 위한 하중 또한 변화할 것이라고 예상되나, 이에 대한 연구는 아직 미미한 실정이다. 이에 따라, 본 연구는 기초구조물의 연성을 고려하여 시스템 해석을 수행할 경우 시스템의 고유 주파수와 하중의 변화를 살펴보기 위한 목적으로 수행되었다. 해상풍력시스템의 해석을 위하여 풍력발전기 해석프로그램인 GH-Bladed를 활용하였으며, 해석 시에는 coupled spring 모델과 winkler spring 모델을 활용하여 기초구조물의 연성효과를 고려하였다. 해석결과 지반의 연성 고려방안 중 winkler spring 모델을 적용하여 산정한 시스템 1차모드 및 하중이 지반을 고정단으로 가정한 해석결과와 비교하여 감소하는 것을 확인하였으며, 이를 통하여 지반의 연성이 시스템의 거동에 미치는 영향을 관찰하였다.
The effect of the foundation size on the efficiency of seismic base isolation using a layer of stone pebbles is experimentally investigated. Four scaled models of buildings with different stiffnesses (from very stiff to soft) were tested, each with the so-called small and large foundation, and exposed to four different accelerograms (different predominant periods and durations). Tests were conducted so that the strains in the model remained elastic and afterwards the models were tested until collapse. Each model was tested for the case of the foundation being supported on a rigid base and on an aseismic layer. Compared to the smaller foundation, the larger foundation results in a reduced rocking effect, higher earthquake forces and lower bearing capacity of the tested models, with respectable efficiency (reduced strain/stress, displacement and increase of the ultimate bearing capacity of the model) for the considered seismic base isolation compared to the foundation on a rigid base.
Comprehensive and accurate analysis of a finite foundation beam is a challenging engineering problem and an important subject in foundation design. One of the limitation of the traditional Winkler elastic foundation model is that the model neglects the effect of the interface resistance between the beam and the underneath foundation soil. By taking the beam-soil interface resistance into account, a deformation governing differential equation for a finite beam resting on the Winkler elastic foundation is developed. The coupling effect between vertical and horizontal displacements is also considered in the presented method. Using Galerkin method, semi-analytical solutions for vertical and horizontal displacements, axial force, shear force and bending moment of the beam under symmetric loads are presented. The influences of the interface resistance on the behavior of foundation beam are also investigated.
A two dimensional model of linearly elastic soil spring used for the settlement analysis of the flexible mat foundation is suggested in this study. The spring constants of the soils underneath the foundation were modeled assuming uniformly vertical load applied onto the foundation. The soil spring constants were back calculated using the three-dimensional finite element analysis with Midas GTS NX program. Variation of the soil spring constants was modeled as a two-dimensional polynomial function in terms of the normalized spatial distances between the center of foundation and the analytical points. The Lysmer's analog spring for soils underneath the rigid foundation was adopted and calibrated for the flexible foundation. For validations, the newly proposed soil spring model was incorporated into a two dimensional finite difference analysis for a square mat foundation at the surface of an elastic half-space consisting of soft clays. Comparative study was made for elastic soils where the shear wave velocity is 120~180 m/s and the Poisson's ratio varies at 0.3~0.5. The resulting foundation settlements from the two dimensional finite difference analysis with the proposed soil springs were found in good agreement with those obtained directly from three dimensional finite element analyses. Details of the applications and limitations of the modified Lysmer's analog springs were discussed in this study.
Soil foundations exhibit significant creeping deformation, which may result in excessive settlement and failure of superstructures. Based on the theory of viscoelasticity and fractional calculus, a fractional Kelvin-Voigt model is proposed to account for the time-dependent behavior of soil foundation under vertical line load. Analytical solution of settlements in the foundation was derived using Laplace transforms. The influence of the model parameters on the time-dependent settlement is studied through a parametric study. Results indicate that the settlement-time relationship can be accurately captured by varying values of the fractional order of differential operator and the coefficient of viscosity. In comparison with the classical Kelvin-Voigt model, the fractional model can provide a more accurate prediction of long-term settlements of soil foundation. The determination of influential distance also affects the calculation of settlements.
This study investigated the impact of soil-structure interaction on multi-degree-of-freedom structures using the shallow-foundation Winkler model, known as the BNWF model. The model's period was determined through eigenvalue analysis and compared to results obtained from FEMA's formula. Results indicated that considering the soil, the structure's period increased by up to 8.7% compared to the fixed-base model, aligning with FEMA's calculations. Furthermore, with adequate ground acceleration, roof displacement increased by 3.4% to 3.8%, while base shear decreased by 4% to 10%. However, roof displacement and base shear increased in some earthquake scenarios due to spectral shape effects in regions with extended structural periods. Foundation damping effects, determined through the foundation's moment-rotation history, grew with higher ground acceleration. This suggests that accounting for period elongation and foundation damping can enhance the seismic design of multi-degree-of-freedom structures.
The vibration modes of resilient mounting system and foundation structure which support diesel engine/generator set and acoustic enclosure walls play an important role in the vibration transmission process. So, it is necessary to perform vibration mode analysis of resilient mounting system and foundation structure. For some reasons, if the vibration modal analysis of resilient mounting system and foundation structure of acoustic enclosure could be simultaneously done by finite element method, it would be very efficient approach. In this paper, vibration modal analysis method using finite element method for multi stage mounting system having n d.o.f model was proposed. Vibration analysis of single and double stage resilient mounting system was performed to verify the validity of the proposed method. Also frequency response results were compared in case of rigid foundation model and finite element foundation model which was compared with experimental modal analysis results.
Being a significant mode of deformation, shear effect in addition to the other modes of stretching and bending have been considered to develop two finite element models for the analysis of beams on elastic foundation. The first beam model is developed utilizing the differential-equation approach; in which the complex variables obtained from the solution of the differential equations are used as interpolation functions for the displacement field in this beam element. A single element is sufficient to exactly represent a continuous part of a beam on Winkler foundation for cases involving end-loadings, thus providing a benchmark solution to validate the other model developed. The second beam model is developed utilizing the hybrid-mixed formulation, i.e., Hellinger-Reissner variational principle; in which both displacement and stress fields for the beam as well as the foundation are approxmated separately in order to eliminate the well-known phenomenon of shear locking, as well as the newly-identified problem of "foundation-locking" that can arise in cases involving foundations with extreme rigidities. This latter model is versatile and indented for utilization in general applications; i.e., for thin-thick beams, general loadings, and a wide variation of the underlying foundation rigidity with respect to beam stiffness. A set of numerical examples are given to demonstrate and assess the performance of the developed beam models in practical applications involving shear deformation effect.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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