For a given structural geometry, the stiffness and damping parameters of the soil and the dynamic response of the structure may change in the face of an equivalent linear soil behavior caused by a strong earthquake. Therefore, the influence of equivalent linear soil behavior on the impedance functions form and the seismic response of the soil-structure system has been investigated. Through the substructure method, the seismic response of the selected structure was obtained by an analytical formulation based on the dynamic equilibrium of the soil-structure system modeled by an analog model with three degrees of freedom. Also, the dynamic response of the soil-structure system for a nonlinear soil behavior and for the two types of impedance function forms was also analyzed by 2D finite element modeling using ABAQUS software. The numerical results were compared with those of the analytical solution. After the investigation, the effect of soil nonlinearity clearly showed the critical role of soil stiffness loss under strong shaking, which is more complex than the linear elastic soil behavior, where the energy dissipation depends on the seismic motion amplitude and its frequency, the impedance function types, the shear modulus reduction and the damping increase. Excellent agreement between finite element analysis and analytical results has been obtained due to the reasonable representation of the model.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2001.09a
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pp.163-170
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2001
This paper presents results of nonlinear analyses for underground structures including both the soil-structure interaction and nonlinear behavior of concrete material. For this purpose, a hybrid method is employed, in which a dynamic analysis technique for a linear soil-structure interaction system and a general purpose FE program are combined in hybrid and practical manners. A couple of nonlinear analyses are carried out for framed structures in multi-layered half space soil medium. The yielding of concrete structure is considered by a multi-linear stress- strain relationship. The numerical results suggest that ductile design fur the intermediate columns in the underground framed structure is substantially important in aseismic design.
Park, Hong-Gun;Kim, Dong-Kwan;Lee, Kyung-Koo;Kim, Dong-Soo
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.14
no.5
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pp.1-12
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2010
This study presents a finite element analysis method that can accurately evaluate the nonlinear behaviour of structures affected by shallow soft subsoils and the soil-structure interaction. A two-dimensional finite element model that consists of a structure and shallow soft subsoil was used. The finite element model was used for a nonlinear time domain analysis of the OpenSees program. A parametric study was performed to investigate the effects of soil shear velocities, earthquake input motions, soft soil depth, and soil-structure interaction. The result of the proposed nonlinear finite element analysis method was compared with the result of an existing frequency domain analysis method, which is frequently used for addressing nonlinear soil behavior. The result showed that the frequency domain analysis, which uses equivalent secant soil stiffness and does not address the soil-structure interaction, significantly overestimated the response of the structures with short dynamic periods. The effect of the soil-structure interaction on the response spectrum did not significantly vary with the foundation dimensions and structure mass.
Ganjavi, Behnoud;Bararnia, Majid;Hajirasouliha, Iman
Structural Engineering and Mechanics
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v.68
no.2
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pp.159-170
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2018
This paper aims to develop response modification factors for stiffness degrading structures by incorporating soil-structure interaction effects. A comprehensive parametric study is conducted to investigate the effects of key SSI parameters, natural period of vibration, ductility demand and hysteretic behavior on the response modification factor of soil-structure systems. The nonlinear dynamic response of 6300 soil-structure systems are studied under two ensembles of accelograms including 20 recorded and 7 synthetic ground motions. It is concluded that neglecting the stiffness degradation of structures can results in up to 22% underestimation of inelastic strength demands in soil-structure systems, leading to an unexpected high level of ductility demand in the structures located on soft soil. Nonlinear regression analyses are then performed to derive a simplified expression for estimating ductility-dependent response modification factors for stiffness degrading soil-structure systems. The adequacy of the proposed expression is investigated through sensitivity analyses on nonlinear soil-structure systems under seven synthetic spectrum compatible earthquake ground motions. A good agreement is observed between the results of the predicted and the target ductility demands, demonstrating the adequacy of the expression proposed in this study to estimate the inelastic demands of SSI systems with stiffness degrading structures. It is observed that the maximum differences between the target and average target ductility demands was 15%, which is considered acceptable for practical design purposes.
The soil response calculation is described, by which, threw the fictive path of stress, the stress-deformation diagrams are determined, considering the nonlinear soil behavior. The calculation are lead incrementally, by which is shown that in the presented soil model (modified Cam Clay), considering the influence of overconsolidated soil pressure OCR, the number of calculation steps may, but not necessarily, have a sufficient influence on the value of failure load and definite soil deformation. The simplicity and the practicalness of the procedure, the enables modeling the complex relations in soil.
Kim, Moon-Kyun;Lim, Yun-Mook;Cho, Kyung-Hwan;Kim, Ji-Sun
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2005.03a
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pp.405-412
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2005
In this study, a numerical method for soil-pile-structure interaction problems in multi-layered half-plane is developed. The total soil-pile-structure interaction system is divided into two parts namely, nonlinear structure part and linear soil-pile interaction parts. In the structure field, the general finite element method is introduced to solve the dynamic equation of motion for the structure. In the soil-pile structure interaction part, physical model consisting of lumped parameter, which is frequency dependent coefficient and determined by rigorous analysis method is introduced. Using proposed analysis procedure, the nonlinear behavior of structure considering soil-structure interaction can be efficiently determined in time domain and the analysis cost is dramatically reduced.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.6
no.6
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pp.55-64
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2002
For nonlinear analysis of sloshing of fluid in rectangular tanks, a new method using the perturbation approach is presented. The results by presented method show good agreement with results in previous study. The importance of nonlinear sloshing analysis is demonstrated by comparing nonlinear behaviors of sloshing in broad and tall tanks with different site conditions. In general, the results by nonlinear analysis are greater than those by linear analysis. Specially, the nonlinear behavior is significant in softer soil site and broad tank. Therefore, nonlinear behavior analysis has to be considered in the design of large liquid storage tanks.
Onturk, Kurban;Bol, Ertan;Ozocak, Askin;Edil, Tuncer B.
Geomechanics and Engineering
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v.23
no.4
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pp.301-311
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2020
In this study, shear strength behavior of fine-grained soils was investigated under unsaturated conditions. The samples in the unsaturated state were subjected to a net normal stress (σ-ua) of 40 kPa and different matric suctions (ua-uw) of 50, 100 and 150 kPa. The matric suction values applied in the triaxial tests were selected according to the bubbling pressures determined from the SWC curves. The study was carried out on prepared re-constituted cylindrical samples by uniaxial consolidation of soil slurries. First, consolidated drained (CD) triaxial compression tests were performed on the saturated samples and the cohesion and angle of internal friction were determined. After that, drained triaxial compression tests under matric suctions were performed on the unsaturated samples. In order to obtain unsaturated test results, cohesion and internal friction angle values of saturated samples were used. The nonlinear surface representing the shear strength surface was approximated consisting of two planes (double planar surface). The reason for the nonlinear behavior of some soils is that the amount of sand content contained in it is relatively high and the bubbling pressure/permanent water content value is relatively low.
Multi-span steel-concrete composite (SCC) bridges are very sensitive to earthquake loading. Extensive damage may occur not only in the substructures (piers), which are expected to yield, but also in the other components (e.g., deck, abutments) involved in carrying the seismic loads. Current seismic codes allow the design of regular bridges by means of linear elastic analysis based on inelastic design spectra. In bridges with superstructure transverse motion restrained at the abutments, a dual load path behavior is observed. The sequential yielding of the piers can lead to a substantial change in the stiffness distribution. Thus, force distributions and displacement demand can significantly differ from linear elastic analysis predictions. The objectives of this study are assessing the influence of piers-deck stiffness ratio and of soil-structure interaction effects on the seismic behavior of continuous SCC bridges with dual load path, and evaluating the suitability of linear elastic analysis in predicting the actual seismic behavior of these bridges. Parametric analysis results are presented and discussed for a common bridge typology. The response dependence on the parameters is studied by nonlinear multi-record incremental dynamic analysis (IDA). Comparisons are made with linear time history analysis results. The results presented suggest that simplified linear elastic analysis based on inelastic design spectra could produce very inaccurate estimates of the structural behavior of SCC bridges with dual load path.
In this study, the limit range of input acceleration was investigated based on time domain and response spectrum analyses by considering the relative density, groundwater depth, and soil type. Special attention was paid to the input acceleration and shear modulus of soil, which affect pile behavior. The surrounding soil was identified as an elastoplastic material and subjected to FLAC3D analysis using the Mohr-Coulomb and Finn models as well as FB-Multiplier analysis using a nonlinear p-y curve for soil spring. Based on the analyses, the limit range of acceleration on the pile is much higher for SP soil than for SM soil, and the groundwater level tends to reduce the limit range of input acceleration, irrespective of soil conditions. The limit range of acceleration was mainly affected by the shear modulus. The limit range of acceleration with nonlinear soil behavior is proportional to the relative density of the surrounding soil.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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