The recent huge earthquake ground motion records in Japan result in the reconsideration of seismic design forces for nuclear power stations from the view point of seismological research. In addition, the seismic design force should be defined also from the view point of structural engineering. In this paper it is shown that one of the occurrence mechanisms of such large acceleration in recent seismic records (recorded in or near massive structures and not free-field ground motions) is due to the interaction between a massive building and its surrounding soil which induces amplification of local mode in the surface soil. Furthermore on-site investigation after earthquakes in the nuclear power stations reveals some damages of soil around the building (cracks, settlement and sand boiling). The influence of plastic behavior of soil is investigated in the context of interaction between the structure and the surrounding soil. Moreover the amplification property of the surface soil is investigated from the seismic records of the Suruga-gulf earthquake in 2009 and the 2011 off the Pacific coast of Tohoku earthquake in 2011. Two methods are introduced for the analysis of the non-stationary process of ground motions. It is shown that the non-stationary Fourier spectra can detect the temporal change of frequency contents of ground motions and the displacement profile integrated from its acceleration profile is useful to evaluate the seismic behavior of the building and the surrounding soil.
Aiming at the current research on the dynamic response analysis of the vehicle-bridge system under earthquake, which fails to comprehensively consider the impact of seismic wave incidence angles, terrain effects and soil-structure dynamic interaction on the bridge structure, this paper proposes a multi-point excitation input method that can consider the oblique incidence seismic P Waves based on the viscous-spring artificial boundary theory, and verifies the accuracy and feasibility of the input method. An overall numerical model of vehicle-bridge-soil foundation system in valley terrain during oblique incidence of seismic P-wave is established, and the effects of seismic wave incidence characteristics, terrain effects, soil-structure dynamic interactions, and vehicle speeds on the dynamic response of the bridge are analyzed. The research results indicate that with an increase in P wave incident angle, the vertical dynamic response of the bridge structure decreased while the horizontal dynamic response increased significantly. Traditional design methods which neglect multi-point excitation would lead to an unsafe structure. The dynamic response of the bridge structure significantly increases at the ridge while weakening at the valley. The dynamic response of bridge structures under earthquake action does not always increase with increasing train speed, but reaches a maximum value at a certain speed. Ignoring soil-structure dynamic interaction would reduce the vertical dynamic response of the bridge piers. The research results can provide a theoretical basis for the seismic design of vehicle-bridge systems in complex mountainous terrain under earthquake excitation.
This paper studied the effect of soil-structure interaction (SSI) on the seismic response and retrofit of a reinforced concrete structure with a soft-first story for different soil types. A 5-story structure built on a 30m deep homogeneous soil mass was considered as a case study structure, and steel column jacketing and steel bracing were chosen as seismic retrofit methods. Seismic responses of a fixed-base and a flexible base structure subjected to seven scaled earthquake records were obtained using the software OpenSees to investigate the effect of soil on seismic response and retrofit. The nonlinearBeamColumn elements with the fiber sections were used to simulate the nonlinear behavior of the beams and columns. Soil properties were defined based on shear wave velocity according to categorized site classes defined in ASCE-7. The finite element model of the soil was made using isoparametric four-noded quadrilateral elements and the nonlinear dynamic responses of the combined system of soil and structure were calculated in the OpenSees. The analysis results indicate that the soil-structure interaction plays an important role in the seismic performance and retrofit of a structure with a soft-first story. It was observed that column steel jacketing was effective in the retrofit of the model structure on a fixed base, whereas stronger retrofit measures such as steel bracing were needed when soil-structure interaction was considered.
This paper investigates the dynamic response of structures during earthquakes and provides a clear understanding of soil-structure interaction phenomena. It analyses various parameters, comprising ground shear wave velocity and structure properties. The effect of soil impedance function form on the structural response of the system through the use of springs and dashpots with two frequency cases: independent and dependent frequencies. The superstructure and the ground were modeled linearly. Using the substructure method, two different approaches are used in this study. The first is an analytical formulation based on the dynamic equilibrium of the soil-structure system modeled by an analog model with three degrees of freedom. The second is a numerical analysis generated with 2D finite element modeling using ABAQUS software. The superstructure is represented as a SDOF system in all the SSI models assessed. This analysis establishes the key parameters affecting the soil-structure interaction and their effects. The different results obtained from the analysis are compared for each studied case (frequency-independent and frequency-dependent impedance functions). The achieved results confirm the sensitivity of buildings to soil-structure interaction and highlight the various factors and effects, such as soil and structure properties, specifically the shear wave velocity, the height and mass of the structure. Excitation frequency, and the foundation anchoring height, also has a significant impact on the fundamental parameters and the response of the coupled system at the same time. On the other hand, it have been demonstrated that the impedance function forms play a critical role in the accurate evaluation of structural behavior during seismic excitation. As a result, the evaluation of SSI effects on structural response must take into account the dynamic properties of the structure and soil accordingly.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2002.10a
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pp.197-202
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2002
The most common failure of breakwater comes from impact wave pressure generated by intense storms. This impact pressure is 10 folds greater than the pressure generated by normal waves. Therefore, the precise knowledge of magnitude of impact wave pressure applied on breakwater and its structural response is crucial for the economical and safe design. However, presently, a precise analysis of breakwater is restricted by insufficient and incorrect consideration of the effect of soil-structure Interaction. 3 major research areas included in this study are (1) theoretical analysis of impact wave pressure, (2) selection of breakwater structure model (3) soil-structure interaction analysis using limit analysis computer program. Based on this analysis, predicted response of concrete breakwater and probable failure location under wave impact pressure are determined.
This study analyses the seismic response of a three-dimensional (3-D) rigid massless square foundation resting or embedded in a viscoelastic soil limited by rigid bedrock. The foundation is subjected to harmonic oblique seismic waves P, SV, SH and R. The key step is the characterization of the soil-foundation interaction by computing the impedance matrix and the input motion matrix. A 3-D frequency boundary element method (BEM) in conjunction with the thin layer method (TLM) is adapted for the seismic analysis of the foundation. The dynamic response of the rigid foundation is solved from the wave equations by taking into account the soil-foundation interaction. The solution is formulated using the frequency BEM with the Green's function obtained from the TLM. This approach has been applied to analyze the effect of soilstructure interaction on the seismic response of the foundation as a function of the kind of incident waves, the angles of incident waves, the wave's frequencies and the embedding of foundation. The parametric results show that the non-vertical incident waves, the embedment of foundation, and the wave's frequencies have important impact on the dynamic response of rigid foundations.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2006.03a
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pp.327-336
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2006
Site coefficients in IBC and KBC codes have some limits to predict the rational seismic responses of a structure, because they consider only the effect of the soil amplification without the effects of the structure-soil interaction. In this study, upper and lower limits of site coefficients are estimated through the pseudo 3-D elastic seismic response analyses of structures built on linear or nonlinear soil layers considering the structure-soil interaction effects. Soil characteristics of site classes of A, B, and C were assumed to be linear, and those of site classes of D and E were done to be nonlinear and the Ramberg-Osgood model was used to evaluate shear modulus and damping ratio of a soil layer depending on the shear wave velocity of a soil layer. Seismic analyses were performed with 12 weak or moderate earthquake records, scaled the peak acceleration to 0.1g or 0.2g and deconvoluted as earthquake records at the bedrock 30m beneath the outcrop. With the study results of the elastic seismic response analyses of structures, new standard response spectrum and upper and lower limits of the site coefficients of Fa and Fv at the short period range and the period of 1 second are suggested Including the structure-soil interaction effects.
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.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1997.10a
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pp.42-49
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1997
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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