This paper proposes a novel frame element on Winkler-Pasternak foundation for analysis of a non-ductile reinforced concrete (RC) member resting on foundation. These structural members represent flexural-shear critical members, which are commonly found in existing buildings designed and constructed with the old seismic design standards (inadequately detailed transverse reinforcement). As a result, these structures always experience shear failure or flexure-shear failure under seismic loading. To predict the characteristics of these non-ductile structures, efficient numerical models are required. Therefore, the novel frame element on Winkler-Pasternak foundation with inclusion of the shear-flexure interaction effect is developed in this study. The proposed model is derived within the framework of a displacement-based formulation and fiber section model under Timoshenko beam theory. Uniaxial nonlinear material constitutive models are employed to represent the characteristics of non-ductile RC frame and the underlying foundation. The shear-flexure interaction effect is expressed within the shear constitutive model based on the UCSD shear-strength model as demonstrated in this paper. From several features of the presented model, the proposed model is simple but able to capture several salient characteristics of the non-ductile RC frame resting on foundation, such as failure behavior, soil-structure interaction, and shear-flexure interaction. This confirms through two numerical simulations.
Dalili S., Mohammad;Huat, B.B.K.;Jaafar, M.S.;Alkarni, A.
Interaction and multiscale mechanics
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제6권1호
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pp.51-81
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2013
A wide literature review on Static Soil-Structure-Interaction (SSI) is done to highlight the key impacts of soil complexity on structural members of framed structures. Attention is paid to the developed approaches, i.e., conventional and Finite Element Method (FEM), to emphasize on deficiencies and merits of the proposed methods according to their applicability, accuracy and power to model and idealization of the superstructures as well as the soil continuum. Proposed hypothesis are much deeply discussed herein for better understanding which is normally neglected in literature review papers due to the large number of references and limit of space.
이 연구에서는 기초의 종류에 따라 지반-구조물 상호작용(SSI) 효과가 LNG 저장탱크의 지진응답해석에 미치는 효과를 분석하였다. 이를 위하여 직경 71m인 LNG 탱크와 기반암 위 점토지반의 깊이가 30m인 지반조건을 고려하였다. 그리고 기초형식으로 네 가지(얕은 기초, 말뚝지지 전면기초, 말뚝기초(지표면 접촉식, 부유식)를 고려하였다. 지반의 비선형성은 자유장 지반에 대하여 등가선형화기법으로 고려되었다. 또한, 말뚝기초의 시공과정에서 발생하는 동다짐 효과에 대해서도 분석하였다. SSI 해석을 위하여 진동수영역 해석프로그램인 KIESSI-3D를 이용하였다. 지반-구조물 상호작용 해석을 통해 LNG 저장탱크의 외조 벽체 쉘의 응력과 내조탱크의 밑면전단력 및 전도모멘트를 구하였다. 해석결과로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다: (1) 고정 기초해석에 의한 외조와 내조탱크의 지진응답이 SSI 효과로 인한 지진응답보다 매우 컸다. (2) SSI의 효과가 내조탱크와 외조탱크의 동적응답에 미치는 영향은 기초의 형식에 따라 다르게 나타난다. (3) 말뚝지지 전면기초에서 동다짐 효과에 의한 구조물 응답의 변화는 약 10%로서 무시할 수 없을 정도로 큰 것으로 나타났다.
In this study, centrifuge model tests were performed to evaluate the seismic response of multi-DOF structures with shallow foundations. Also, elastic time history analysis on the fixed-base model was performed and compared with the experimental results. As a result of the centrifuge model test, earthquake amplification at the fundamental vibration frequency of the soil (= 2.44 Hz) affected the third vibration mode frequency (= 2.50 Hz) of the long-period structure and the first vibration mode (= 2.27 Hz) of the short-period structure. The shallow foundation lengthened the periods of the structures by 14-20% compared to the fixed base condition. The response spectrum of acceleration measured at the shallow foundation was smaller than that of free-field motion due to the foundation damping effect. The ultimate moment capacity of the soil-foundation system limited the dynamic responses of the multi-DOF structures. Therefore, the considerations on period lengthening, foundation damping, and ultimate moment capacity of the soil-foundation system might improve the seismic design of the multi-DOF building structures.
The most important features of linear soil-foundation-structure interaction are reviewed, using stochastic modeling and considering kinematic interaction, inertial interaction, and structural distortion as three separate stages of the dynamic response to the free-field motion. The way in which each of the three dynamic stages modifies the spectral density of the motion is studied, with the emphasis being on interpretation of these results, rather than on the development of new analysis techniques. Structural distortion and inertial interaction analysis are shown to be precisely modeled as linear filtering operations. Kinematic interaction, though, is more complicated, even though it has a filter-like effect on the frequency content of the motion.
In this paper, a different technique to predict the effects of soil-structure interaction (SSI) on seismic response of building systems is investigated. The technique use a machine learning algorithm called Support Vector Regression (SVR) with technical and analytical results as input features. Normally, the effects of SSI on seismic response of existing building systems can be identified by different types of large data sets. Therefore, predicting and estimating the seismic response of building is a difficult task. It is possible to approximate a real valued function of the seismic response and make accurate investing choices regarding the design of building system and reduce the risk involved, by giving the right experimental and/or numerical data to a machine learning regression, such as SVR. The seismic response of both single-degree-of-freedom system and six-storey RC frame which can be represent of a broad range of existing structures, is estimated using proposed SVR model, while allowing flexibility of the soil-foundation system and SSI effects. The seismic response of both single-degree-of-freedom system and six-storey RC frame which can be represent of a broad range of existing structures, is estimated using proposed SVR model, while allowing flexibility of the soil-foundation system and SSI effects. The results show that the performance of the technique can be predicted by reducing the number of real data input features. Further, performance enhancement was achieved by optimizing the RBF kernel and SVR parameters through grid search.
Modeling and analyzing the dynamic behavior of fluid-soil-structure interaction problems are crucial in structural engineering. The solution to such coupled engineering systems is often not achievable through analytical modeling alone, and a numerical solution is necessary. Generally, the Finite Element Method (FEM) is commonly used to address such problems. However, when dealing with coupled problems with complex geometry, the finite element method may not precisely represent the geometry, leading to errors that impact solution quality. Recently, Isogeometric Analysis (IGA) has emerged as a preferred method for modeling and analyzing complex systems. In this study, IGA based on Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS) is employed to analyze the seismic behavior of concrete gravity dams, considering fluid-structure-foundation interaction. The performance of IGA is then compared with the classical finite element solution. The computational efficiency of IGA is demonstrated through case studies involving simulations of the reservoir-foundation-dam system under seismic loading.
Madsen, Soren;Pinna, Rodney;Randolph, Mark;Andersen, Lars V.
Wind and Structures
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제21권6호
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pp.641-656
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2015
Using large monopod bucket foundations as an alternative to monopiles for offshore wind turbines offers the potential for large cost savings compared to typical piled foundations. In this paper, numerical simulations are carried out to assess the risk of structural buckling during installation of large-diameter bucket foundations. Since shell structures are generally sensitive to initially imperfect geometries, eigenmode-affine imperfections are introduced in a nonlinear finite-element analysis. The influence of modelling the real lid structure compared to classic boundary conditions is investigated. The effects of including soil restraint and soil-structure interaction on the buckling analysis are also addressed.
구조물 동적거동이 지반과 기초 특성에 따라 영향을 받는다는 것은 인식되었지만, 구조물 내진설계를 위한 설계규준이 지반의 본질적인 복잡성과 기초-지반체계에 대한 체계적인 연구부족으로 지반특성을 부분적으로만 반영하고 있어 불안전하거나 너무 안전한 결과를 초래한다. 이 연구에서는 전단파속도, 지반깊이, 기초 근입깊이 및 말뚝기초의 영향을 평가하여 구조물 내진해석을 위한 기초-지반체계의 운동학적 상호작용 영향을 고찰하였으며, 지반과 기초 특성을 고려한 합리적 내진해석을 위해 지반체계에 대한 수정된 분류기준을 제안하였다. 말뚝기초를 포함한 중형이나 대형 묻힌기초의 경우, 지초-지반체계의 운동학적 상호작용 영향을 고려하기 위해서는 기토밑 지반깊이를 최소한 60m 까지 고려해야하고, 말뚝유무에 관계없이 기초-지반체계의 회전운동도 구조물 내진해석에 포함되어야 한다.
The main focus of the current study is to evaluate the dynamic behavior of a cantilever retaining wall considering backfill and soil/foundation interaction effects. For this purpose, a three-dimensional finite element model (FEM) with viscous boundary is developed to investigate the seismic response of the cantilever wall. To demonstrate the validity of the FEM, analytical examinations are carried out by using modal analysis technique. The model verification is accomplished by comparing its predictions to results from analytical method with satisfactory agreement. The method is then employed to further investigate parametrically the effects of not only backfill but also soil/foundation interactions. By means of changing the soil properties, some comparisons are made on lateral displacements and stress responses. It is concluded that the lateral displacements and stresses in the wall are remarkably affected by backfill and subsoil interactions, and the dynamic behavior of the cantilever retaining wall is highly sensitive to mechanical properties of the soil material.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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