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.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2009.09a
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pp.976-984
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2009
This study proposes a simple method that uses a simple mass-spring model to predict the natural frequency of a soil-pile-structure system in sandy soil. This model includes a pair of matrixes, i.e., a mass matrix and a stiffness matrix. The mass matrix is comprised of the masses of the pile and superstructure, and the stiffness matrix is comprised of the stiffness of the pile and the spring coefficients between the pile and soil. The key issue in the evaluation of the natural frequency of a soil-pile system is the determination of the spring coefficient between the pile and soil. To determine the reasonable spring coefficient, subgrade reaction modulus, nonlinear p-y curves and elastic modulus of the soil were utilized. The location of the spring was also varied with consideration of the infinite depth of the pile. The natural frequencies calculated by using the mass-spring model were compared with those obtained from 1-g shaking table model pile tests. The comparison showed that the calculated natural frequencies match well with the results of the 1-g shaking table tests within the range of computational error when the three springs, whose coefficients were calculated using Reese's(1974) subgrade reaction modulus and Yang's (2009) dynamic p-y backbone curves, were located above the infinite depth of the pile.
The foundation of offshore wind energy system is generally assumed to be fixed-ended in system analysis for the convenience of calculation and, correspondingly, it might lead a conservative design. If soil-foundation interaction get involved with the analysis, the system characteristics such as natural frequency, shear force, moment and displacement are expected to differ from those of fixed-ended case. In this study, the analysis have been conducted to identify how the response of offshore wind turbine varies upon considering the foundation flexibility with soil-foundation interaction. The model taking account of the flexibility of foundation was compared with fixed-ended model at the seabed. The flexibilities of foundation were obtained by coupled spring model at the seabed and Winkler Spring Model with soil depth. As a result, the first mode of the whole system with the Winkler Spring Model was decreased relative to that with the fixed-ended model. The results showed that the effect of foundation flexibility should be considered when designing the offshore wind energy system.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.33
no.4
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pp.245-253
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2020
In this study, natural frequencies are compared using several pile-soil interaction (PSI) models to evaluate the effects of each model on resonance safety checks for a monopile type of wind turbine structure. Base spring, distributed spring, and three-dimensional brick-shell models represented the PSIs in the finite element model. To analyze the effects of the PSI models on a natural frequency, after a stiffness matrix calculation and Winkler-based beam model for base spring and distributed spring models were presented, respectively; natural frequencies from these models were investigated for monopiles with different geometries and soil properties. These results were compared with those from the brick-shell model. The results show that differences in the first natural frequency of the monopiles from each model are small when the small diameter of monopile penetrates hard soil and rock, while the distributed spring model can over-estimate the natural frequency for large monopiles installed in weak soil. Thus, an appropriate PSI model for natural frequency analyses should be adopted by considering soil conditions and structure scale.
Der-Wen Chang;Tzu-Min Chou;Shih-Hao Cheng;Louis Ge
Geomechanics and Engineering
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v.37
no.5
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pp.527-538
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2024
This study proposes a two-dimensional hyperbolic soil spring model for mat foundations in clays subjected to vertically uniform loads to simplify the complexity of three-dimensional finite element analysis on mat foundations. The solutions from three-dimensional finite element analysis were examined to determine the hyperbolic model parameters of the soil springs underneath the slab. Utilizing these model parameters, normalized functions across the middle section of the mat were obtained. The solutions from the proposed model, along with the approximate finite difference analysis of the mat in clays under vertical load, were found to be consistent with those from the three-dimensional finite element analysis. The authors conclude that the proposed method can serve as an alternative for the preliminary design of mat foundations.
Recently, several studies have been conducted on virtual fixed-point and elastic soil spring methods to simulate the soil-pile interaction in response to spectrum analysis of pile-supported structures. However, the soil spring stiffness has not been properly considered due to the seismic load magnitude, and studies on the response spectrum analysis of pile-supported structures considering this circumstance are inadequate. Therefore, in this study, the response spectrum analysis was performed considering the soil spring stiffness according to the seismic load magnitude, and the dynamic behavior of the pile-supported structure was evaluated by comparing it with existing virtual fixed-point and elastic soil spring methods. Comparing the experiment and analysis, the moment differences occurred up to 117% and 21% in the virtual fixed-point and elastic soil spring models, respectively. Moreover, when the analysis was performed using an API p-y curve considering the soil spring stiffness according to the seismic load magnitude, the moment difference between the experiment and analysis was derived at a maximum of < 4%, and it is the most accurate method to simulate the experimental model response.
This paper presents a numerical model for buckling analysis of slender piles, such as micropiles. The model incorporates geometric nonlinearities to provide enhanced accuracy and a more comprehensive representation of pile buckling behavior. Specifically, the pile is represented using geometrically nonlinear beams with the von Karman deformation measure. The lateral support provided by the surrounding soil is modeled using the spring approach, with the spring stiffness determined according to the undrained shear strength of the soil. The numerical model is tested across a wide range of pile slenderness ratios and undrained shear strengths of the surrounding soil. The numerical results are validated against analytical solutions. Furthermore, the influence of various pile bottom end boundary conditions on the critical buckling force is investigated. The implications of the obtained results are thoroughly discussed.
This study investigates the reinforcing effects of the Multi-bar Spring nails with respect to the conventional Soil-nails in artificial slopes. Based on wide experience related to design and construction, soil nails have been widely applied to reinforce slope in the world. Multi-bar spring nails are one of the improved soil nailing methods. These method maximizes bending, shearing, pull-out resistance for those multi-nails, not unit nail, that are inserted in the borehole using special spacer at regular intervals. In addition, because cutting plane is confined effect resulting from a pressured plate at the end of the nails with compression spring equipment, slope stability is secured using MS-nailing method. Analyzing bending, pull-out, shearing condition of MS-nail, it was examined throughly elastic region, load transfer capacity, reinforcing effect on cutting plate of MS-nails. In addition, Pilot and laboratory tests, numerical analysis were carried out to verify the superiority of MS-nailing method. In case, MS nailing method is applied to reinforce artificial slope, it was analyzed that bending, pull-out, shearing resistance was increased more than existing nailing method was applied. In this study, it was shown that surface failure was more or less prevented using MS-nailing method, confining effect on cutting plane using spring stuck to flexible equipment.
Kontoni, Denise-Penelope N.;Farghaly, Ahmed Abdelraheem
Structural Engineering and Mechanics
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v.69
no.6
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pp.699-712
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2019
A cable-stayed bridge (CSB) is one of the most complicated structures, especially when subjected to earthquakes and taking into consideration the effect of soil-structure-interaction (SSI). A CSB of a 500 m mid-span was modeled by the SAP2000 software and was subjected to four different earthquakes. To mitigate the harmful effect of the vibration generated from each earthquake, four mitigation schemes were used and compared with the non-mitigation model to determine the effectiveness of each scheme, when applying on the SSI or fixed CSB models. For earthquake mitigation, tuned mass damper (TMD) systems and spring dampers with different placements were used to help reduce the seismic response of the CBS model. The pylons, the mid-span of the deck and the pylon-deck connections are the best TMDs and spring dampers placements to achieve an effective reduction of the earthquake response on such bridges.
This study aimed to identify the causality between climatic and soil variables affecting the yield of Italian ryegrass (Lolium multiflorum Lam., IRG) in the paddy field by constructing the pathways via structure equation model. The IRG data (n = 133) was collected from the National Agricultural Cooperative Federation (1992-2013). The climatic variables were accumulated temperature, growing days and precipitation amount from the weather information system of Korea Meteorological Administration, and soil variables were effective soil depth, slope, gravel content and drainage class as soil physical properties from the soil information system of Rural Development Administration. In general, IRG cultivation by the rice-rotation system in paddy field is important and unique in East Asia because it contributes to the increase of income by cultivating IRG during agricultural off-season. As a result, the seasonal effects of accumulated temperature and growing days of autumn and next spring were evident, furthermore, autumnal temperature and spring precipitation indirectly influenced yield through spring temperature. The effect of autumnal temperature, spring temperature, spring precipitation and soil physics factors were 0.62, 0.36, 0.23, and 0.16 in order (p < 0.05). Even though the relationship between soil physical and precipitation was not significant, it does not mean there was no association. Because the soil physical variables were categorical, their effects were weakly reflected even with scale adjustment by jitter transformation. We expected that this study could contribute to increasing IRG yield by presenting the causality of climatic and soil factors and could be extended to various factors.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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