This paper evaluates the effects of topographical and geotechnical irregularities on the dynamic response of the 2-D soil-structure systems under ground motion by coupling finite and infinite elements. A numerical procedure is employed, and a parametric study is carried out for single-faced slope topographies. It is concluded that topographic conditions may have important effects on the ground motion along the slope. The geotechnical properties of the soil will also have significantly amplified effects on the whole system motion, which cannot be neglected for design purposes. So, dynamic response of a soil-structure systems are primarily affected by surface shapes and geotechnical properties of the soil. Location of the structure is another parameter affecting the whole system response.
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.
This study presents an investigation of the dynamic interactions between a surface structure lying on two different soil deposits and a square-shaped buried structure embedded in the soil. To this end, a large number of numerical models are generated by using a well-known Finite Element Method software, i.e., OpenSEES. The interaction phenomenon is assumed to be affected by six different parameters. In the parametric study, these parameters are assumed to have various values in accordance with the engineering practices. A total of 1620 possible combinations of the parameter values are addressed in this study. 30 different numerical models are also generated as the 'free-field cases' to set a reference. The surface structure drift and acceleration amplifications are used as a measure to evaluate the dynamic interactions. The response (i.e., drifts and accelerations) amplifications are calculated as the ratio of the maximum surface structure response in any 'case' to the maximum surface structure response in corresponding free-field case. Variation of the response amplifications with any of the investigated parameters is addressed in this paper. The results obtained from the numerical analyses clearly reveal that the presence of a buried structure in the vicinity of a surface structure can cause both amplification and de-amplification of the surface structure responses, depending on the case parameters.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2010.09a
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pp.192-200
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2010
Korea is part of a region of low or moderate seismic zone in which few earthquakes have been monitored, so it is difficult to approve design ground motions and seismic responses on structures from response spectrum. In this study, a series of dynamic centrifuge model tests for demonstrating seismic amplification characteristics in soil-foundation-structure system were performed using electro-hydraulic shaking table mounted on the KOCED 5.0 m radius beam centrifuge at KAIST in Korea. The soil model were prepared by raining dry sand and $V_S$ profiles were determined by performing bender element tests before shaking. The foundation types used in this study are shallow embedded foundation and deep basement fixed on the bottom. Total 7 building structures were used and the response of building structures were compared with response spectrum from the acceleration records on surface.
An elasto-dynamic model for pile-soil-pile interaction together with a simple plate model is used in this study to assess the effect of flexible foundation slabs on the dynamic response of pile groups. To this end, different pile configurations with various slab thicknessesare considered in two soil media with low and high elastic moduli. The analyses include dynamic impedances and seismic responses of pile-group foundations. The presented results indicate that the stiffness and damping of pile foundations increase with thickness of the foundation slab; however, the results approach those for rigid slab as the slab thickness approaches twice the pile diameter for the cases considered in this study. The results also reveal that pile foundations with flexible slabs may amplify the earthquake motions by as much as 10 percent in the low to intermediate frequency ranges.
In this research, a series of dynamic numerical analysis were carried out for deep underground building structures under the various earthquake conditions. Dynamic numerical analysis model was developed based on the PLAXIS2D and calibrated with centrifuge test data from Kim et al. (2016). The hardening soil model with small strain stiffness (HSSMALL) was adopted for soil constitutive model, and interface elements was employed at the interface between plate and soil elements to simulate dynamic interaction effect. In addition, parametric study was performed for fixed condition and embedded depth. Finally, the dynamic behavior of underground building structure was thoroughly analyzed and evaluated.
Mahmoudabadi, Vahidreza;Bahar, Omid;Jafari, Mohammad Kazem;Safiey, Amir
Structural Engineering and Mechanics
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v.71
no.4
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pp.445-458
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2019
This study mainly aims to assess the performance of soil-structure systems designed by direct displacement-based method coupled with strong column-weak beam design concept through various system identification techniques under strong ground motions. To this end, various system identification methods are employed to evaluate the dynamic characteristics of a structure (i.e., modal frequency, system damping, mode shapes, and plastic hinge formation pattern) under a strong seismic excitation considering soil-structure interaction for different site conditions as specified by ASCE 7-10. The scope of the study narrowed down to the code-complying low- to high-rise steel moment resisting frames with various heights (4, 8, 12, 16-story). The comparison of the result of soil-structure systems with fix-based support condition indicates that the modal frequencies of these systems are highly influenced by the structure heights, specifically for the softer soils. This trend is more significant for higher modes of the system which can considerably dominate the response of structures in which the higher modes have more contribution in dynamic response. Amongst all studied modes of the vibration, the damping ratio estimated for the first mode is relatively the closet to the initial assumed damping ratios. Moreover, it was found that fewer plastic hinges are developed in the structure of soil-structure systems with a softer soil which contradicts the general expectation of higher damageability of such structural systems.
Masoud Oulapour;Sam Esfandiari;Mohammad M. Olapour
Geomechanics and Engineering
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v.33
no.6
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pp.583-596
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2023
The interlayers, either softer or stiffer than the surrounding layers, are usually overlooked during field investigation due to the small thickness. They may be neglected through the analysis process for simplicity. However, they may significantly affect the dynamic behavior of the soil-foundation system. In this study, a series of 3D finite-element Direct-solution steady-state harmonic analyses were carried out using ABAQUS/CAE software to investigate the impacts of interlayers on the dynamic response of a cast in place pile group subjected to horizontal harmonic load. The experimental data of a 3×2 pile group testing was used to verify the numerical modeling. The effects of thickness, depth, and shear modulus of the interlayers on the dynamic response of the pile group are investigated. The simulations were conducted on both stiff and soft soils. It was found that the soft interlayers affect the frequency-amplitude curve of the system only in frequencies higher than 70% of the resonant frequency of the base soil. While, the effect of stiff interlayer in soft base soil started at frequency of 35% of the resonant frequency of the base soil. Also, it was observed that a shallow stiff interlayer increased the resonant amplitude by 11%, while a deep one only increased the resonant frequency by 7%. Moreover, a shallow soft interlayer increased the resonant frequency by 20% in soft base soils, whereas, it had an effect as low as 6% on resonant amplitude. Also, the results showed that deep soft interlayers increased the resonant amplitude by 17 to 20% in both soft and stiff base soils due to a reduction in lateral support of the piles. In the cases of deep thick, soft interlayers, the resonant frequency reduced significantly, i.e., 16 to 20%. It was found that the stiff interlayers were most effective on the amplitude and frequency of the pile group.
Structural inertial interaction is a representative the effect of dynamic soil-foundation-structure interaction (SFSI), which leads to a relative displacement between soil and foundation, period lengthening, and damping increasing phenomena. However, for a system with a significantly heavy foundation, the dynamic inertia of the foundation influences and interacts with the structural seismic response. The structure-to-foundation mass ratio (MR) quantifies the distribution of mass between the structure and foundation for a structure on a shallow foundation. Although both systems exhibit the same vertical factor of safety (FSv), the MR and corresponding seismic responses attributed to the structure and foundation masses may differ. This study explored the influence of MR on the permanent deformation and seismic response of soil-foundation-structure system considering SFSI via numerical simulations. Given that numerous dimensionless parameters of SFSI described its influence on the structural seismic response, the parameters, except for MR and FSv, were fixed for the sensitivity analysis. The results demonstrated that the foundation inertia of heavier foundations induced more settlement due to sliding behavior of heavily-loaded systems. Moreover, the structural inertia of heavier structures evidently exhibited foundation rocking behavior, which results in a more elongated natural period of the structure for lightly-loaded systems.
Lou, Menglin;Zong, Gang;Niu, Weixin;Chen, Genda;Cheng, Franklin Y.
Structural Engineering and Mechanics
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v.24
no.3
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pp.275-290
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2006
In this paper, the performance of a tuned liquid damper (TLD) in suppressing the seismic response of buildings is investigated with shake table testing of a four-story steel frame model that rests on pile foundation. The model tests were performed in three phases with the steel frame structure alone, the soil and pile foundation system, and the soil-foundation-structure system, respectively. The test results from different phases were compared to study the effect of soil-structure interaction on the efficiency of a TLD in reducing the peak response of the structure. The influence of a TLD on the dynamic response of the pile foundation was investigated as well. Three types of earthquake excitations were considered with different frequency characteristics. Test results indicated that TLD can suppress the peak response of the structure up to 20% regardless of the presence of soils. TLD is also effective in reducing the dynamic responses of pile foundation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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