The fundamental period of vibration is one of the most critical parameters in the analysis and design of structures, as it depends on the distribution of stiffness and mass within the structure. Therefore, building codes propose empirical equations based on the observed periods of actual buildings during seismic events and ambient vibration tests. However, despite the fact that infill walls increase the stiffness and mass of the structure, causing significant changes in the fundamental period, most of these equations do not account for the presence of infills walls in the structure. Typically, these equations are dependent on both the structural system type and building height. The different values between the empirical and analytical periods are due to the elimination of non-structural effects in the analytical methods. Therefore, the presence of non-structural elements, such as infill panels, should be carefully considered. Another critical factor influencing the fundamental period is the effect of Soil-Structure Interaction (SSI). Most seismic building design codes generally consider SSI to be beneficial to the structural system under seismic loading, as it increases the fundamental period and leads to higher damping of the system. Recent case studies and postseismic observations suggest that SSI can have detrimental effects, and neglecting its impact could lead to unsafe design, especially for structures located on soft soil. The current research focuses on investigating the effect of infill panels on the fundamental period of moment-resisting and eccentrically braced steel frames while considering the influence of soil-structure interaction. To achieve this, the effects of building height, infill wall stiffness, infill openings and soil structure interactions were studied using 3, 6, 9, 12, 15 and 18-story 3-D frames. These frames were modeled and analyzed using SeismoStruct software. The calculated values of the fundamental period were then compared with those obtained from the proposed equation in the seismic code. The results indicate that changing the number of stories and the soil type significantly affects the fundamental period of structures. Moreover, as the percentage of infill openings increases, the fundamental period of the structure increases almost linearly. Additionally, soil-structure interaction strongly affects the fundamental periods of structures, especially for more flexible soils. This effect is more pronounced when the infill wall stiffness is higher. In conclusion, new equations are proposed for predicting the fundamental periods of Moment Resisting Frame (MRF) and Eccentrically Braced Frame (EBF) buildings. These equations are functions of various parameters, including building height, modulus of elasticity, infill wall thickness, infill wall percentage, and soil types.
For the vibration control of earthquake-excited buildings, an optimal design method of integrated control system considering soil-structure interaction is studied in this paper. Interaction between soils and the base of the building is simply modeled as lumped parameters and equations of motion are derived. The equations of motion are transformed into the state space equations and the probabilistic excitations such as Kanai-Tajumi power spectral density function is introduced. Then an optimization problem is formulated as finding hybrid or integrated control systems which minimizes the stochastic responses of the building structure for given constraints. In order to investigate the feasibility of the optimization method, an example design and numerical simulations are performed with tenstory building. Finally, numerical results are compared with a conventional design case that soil-structure interaction is not considered.
한국지진공학회 1999년도 추계 학술발표회 논문집 Proceedings of EESK Conference-Fall
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pp.83-90
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1999
This paper presents a method of seismic analysis for a cylindrical liquid storage structure on horizontally layered half-space considering the effects of the interior fluid and exterior soil medium in the frequency domain. the horizontal and rocking motions of the structures are included in this study. The fluid motion is expressed in terms of analytical velocity potential function which can be obtained by solving the boundary value problem including the sloshing behavior of the fluid as well as deformed configuration of the structure. The effect of the fluid is included in the equation of motion as the impulsive added mass and a frequency-dependent convective added mass along the nodes on the wetted boundary with structure. The soil medium is presented using the 3-D axisymmetric finite elements and dynamic infinite elements. The present method can be applied to the structures embedded in ground as well as on ground since it models the soil medium directly as well as the structure. For the purpose of vertification dynamci characteristics of a tank on homogeneous half-space is analyzed. Comparison of the present results with those by others shows good agreement.
Member actions of long-span suspension bridge due to multiple-support motion are generally larger than those for synchronous support motion frequently employed in aseismic design of a conventional structure. In this study, all the sources of the asynchronous support motion are considered including the loss of coherence and the soil-structure interaction as well as the time delay due to wave propagation of seismic waves. The substructure technique analyzing total soil-foundation-structure system as a superposition of two sub-structures including soil-foundation system and structure itself is employed for the seismic response analysis of the suspension bridge. Finally, an application example is presented to demonstrate applicability of the proposed methodology.
The importance of considering soil-structure interaction effect in the analysis and design of RC frame buildings is increasingly recognized but still not penetrated to the grass root level owing to various complexities involved. It is well established fact that the soil-structure interaction effect considerably influence the design of multi-storey buildings subjected to lateral seismic loads. The shear walls are often provided in such buildings to increase the lateral stability to resist seismic lateral loads. In the present work, the linear soil-structure analysis of a G+5 storey RC shear wall building frame resting on isolated column footings and supported by deformable soil is presented. The finite element modelling and analysis is carried out using ANSYS software under normal loads as well as under seismic loads. Various load combinations are considered as per IS-1893 (Part-1):2002. The interaction analysis is carried out with and without shear wall to investigate the effect of inclusion of shear wall on the total and differential settlements in the footings due to deformations in the soil mass. The frame and soil mass both are considered to behave in linear elastic manner. It is observed that the soil-structure interaction effect causes significant total and differential settlements in the footings. Maximum total settlement in footings occurs under vertical loads and inner footings settle more than outer footings creating a saucer shaped settlement profile of the footings. Each combination of seismic loads causes maximum differential settlement in one or more footings. Presence of shear wall decreases pulling/pushing effect of seismic forces on footings resulting in more stability to the structures.
3D two adjacent buildings with different heights founded in different kinds of soil connected with viscous dampers groups, with especial arrangement in plane, were investigated. Soil structure interaction for three different kinds of soil (stiff, medium and soft) were modeled as 3D Winkler model to give the realistic behavior of adjacent buildings connected with viscous dampers under various earthquake excitations taking in the account the effect of different kinds of soil beneath the buildings, using SAP2000n to model the whole system. A range of soil properties and soil damping characteristics are chosen which gives broad picture of connected structures system behavior resulted from the influence soil-structure interaction. Its conclusion that the response of connected structures system founded on soft soil are more critical than those founded on stiff soil. The behavior of connected structures is different from those with fixed base bigger by nearly 20%, and the efficiency of viscous dampers connecting the two adjacent buildings is reduced by nearly 25% less than those founded on stiff soil.
Radiation damping due to wave propagation in unbounded domains may cause a significant reduction of structural vibrations when excited near resonance. Here a novel matrix-valued algebraic Pad$\acute{e}$-like stiffness formulation in the frequency-domain and a corresponding state equation in the time domain are elaborated for a soil-structure interaction problem with a layered soil excited in a transient manner by a flexible rotor during startup and shutdown. The contribution of radiation damping caused by a soil-layer upon a rigid bedrock is characterized by the corresponding amount of critical damping as it is used in structural dynamics.
In this study, a simplified three-dimensional calculation model is developed for the dynamic analysis of soil-pile group-supertall building systems excited by wind loads using the substructure method. Wind loads acting on a 300-m building in different wind directions and terrain conditions are obtained from synchronous pressure measurements conducted in a wind tunnel. The effects of soil-structure interaction (SSI) on the first natural frequency, wind-induced static displacement, root mean square (RMS) of displacement, and RMS of acceleration at the top of supertall buildings are analyzed. The findings demonstrate that with decreasing soil shear wave velocity, the first natural frequency decreases and the static displacement, RMS of displacement and RMS of acceleration increase. In addition, as soil material damping decreases, the RMS of displacement and the RMS of acceleration increase.
In this paper, the method for soil-structure interaction analyses in the time domain is proposed. The far field soil region which is the outside of the artificial boundary is modeled by using explicit frequency-dependent two dimensional infinite elements which can include multiple wave components propagating into the unbounded medium. Since the dynamic stiffness matrix of the far field soil region using the proposed infinite elements is obtained explicitly in terms of exciting frequencies and constants in the frequency domain, the matrix can be easily transformed into the displacement unit-impulse response matrix, which corresponds to a convolution integral of it in the time domain. To verify the proposed method for soil-structure interaction analyses in the time domain, the displacement responses due to an impulse load on the surface of a soil layer with the rigid bed rock are compared with those obtained by the method in the frequency domain and those by models with extend finite element meshes. Good agreements have been found between them.
In this paper, vibration analysis of concrete foundations resting on soil medium is studied. The soil medium is simulated by Winkler model considering spring element. The concrete foundation is modeled by thick plate elements based on classical plate theory (CPT). Utilizing energy method consists of potential energy, kinetic energy and external works in conjunction with Hamilton's principle, the motion equations are derived. Assuming the simply supported boundary condition for the concrete foundation, the Navier method is used for calculating the frequency of the structure. The effect of different parameters such as soil medium, mode numbers, length to width ratio and length to thickness ratio of the concrete foundation are shown on the frequency of the structure. At the first, the results are validated with other published works in order to show the accuracy of the obtained results. The results show that considering the soil medium, the frequency of the structure increases significantly.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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