Nguyen, Quoc Van;Fatahi, Behzad;Hokmabadi, Aslan S.
Structural Engineering and Mechanics
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제58권6호
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pp.1045-1075
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2016
Shallow footings are one of the most common types of foundations used to support mid-rise buildings in high risk seismic zones. Recent findings have revealed that the dynamic interaction between the soil, foundation, and the superstructure can influence the seismic response of the building during earthquakes. Accordingly, the properties of a foundation can alter the dynamic characteristics (natural frequency and damping) of the soil-foundation-structure system. In this paper the influence that shallow foundations have on the seismic response of a mid-rise moment resisting building is investigated. For this purpose, a fifteen storey moment resisting frame sitting on shallow footings with different sizes was simulated numerically using ABAQUS software. By adopting a direct calculation method, the numerical model can perform a fully nonlinear time history dynamic analysis to realistically simulate the dynamic behaviour of soil, foundation, and structure under seismic excitations. This three-dimensional numerical model accounts for the nonlinear behaviour of the soil medium and structural elements. Infinite boundary conditions were assigned to the numerical model to simulate free field boundaries, and appropriate contact elements capable of modelling sliding and separation between the foundation and soil elements are also considered. The influence of foundation size on the natural frequency of the system and structural response spectrum was also studied. The numerical results for cases of soil-foundation-structure systems with different sized foundations and fixed base conditions (excluding soil-foundation-structure interaction) in terms of lateral deformations, inter-storey drifts, rocking, and shear force distribution of the structure were then compared. Due to natural period lengthening, there was a significant reduction in the base shears when the size of the foundation was reduced. It was concluded that the size of a shallow foundation influences the dynamic characteristics and the seismic response of the building due to interaction between the soil, foundation, and structure, and therefore design engineer should carefully consider these parameters in order to ensure a safe and cost effective seismic design.
In this study, a series of dynamic centrifuge tests were performed for a soil-foundation-structural interaction system in dry sand with various embedded depths and superstructure conditions. Sinusoidal wave, sweep wave and real earthquake were used as input motion with various input acceleration and frequencies. Based on the results, a natural period and an earthquake load for soil-structure interaction system were evaluated by comparing the free-field and foundation accelerations. The natural period of free field is longer than that of the soil-foundation-structure system. In addition, it is confirmed that the earthquake load for soil-foundation-structure system is smaller than that of free-field in short period region. In contrast, the earthquake load for soil-foundation-structure interaction system is larger than that of free-field in long period region. Therefore, the current seismic design method, applying seismic loading of free-field to foundation, could overly underestimate seismic load and cause unsafe design for long period structures, such as high-rise buildings.
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.
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, analyses the seismic response for a rigid massless square foundation resting on a viscoelastic soil layer limited by rigid bedrock. The foundation is subjected either to externally applied forces or to obliquely incident seismic body or surface harmonic seismic waves P, SV and SH. A 3-D frequency domain BEM formulation in conjunction with the thin layer method (TLM) is adapted here for the solution of elastodynamic problems and used for obtained the seismic response. The mathematical approach is based on the method of integral equations in the frequency domain using the formalism of Green's functions (Kausel and Peck 1982) for layered soil, the impedance functions are calculated by the compatibility condition. In this study, The key step is the characterization of the soil-foundation interaction with the input motion matrix. For each frequency the impedance matrix connects the applied forces to the resulting displacement, and the input motion matrix connects the displacement vector of the foundation to amplitudes of the free field motion. This approach has been applied to analyze the effect of soil-structure interaction on the seismic response of the foundation resting on a viscoelastic soil layer limited by rigid bedrock.
This paper studies soil properties uncertainty and its implementation in the seismic response evaluation of structures. For this, response sensitivity of two 4- and 12-story RC shear walls to the soil properties uncertainty by considering soil structure interaction (SSI) effects is investigated. Beam on Nonlinear Winkler Foundation (BNWF) model is used for shallow foundation modeling and the uncertainty of soil properties is expanded to the foundation stiffness and strength parameters variability. Monte Carlo (MC) simulation technique is employed for probabilistic evaluations. By investigating the probabilistic evaluation results it's observed that as the soil and foundation become stiffer, the soil uncertainty is found to be less important in influencing the response variability. On the other hand, the soil uncertainty becomes more important as the foundation-structure system is expected to experience nonlinear behavior to more sever degree. Since full This paper studies soil properties uncertainty and its implementation in the seismic response evaluation of structures. For this, response sensitivity of two 4- and 12-story RC shear walls to the soil properties uncertainty by considering soil structure interaction (SSI) effects is investigated. Beam on Nonlinear Winkler Foundation (BNWF) model is used for shallow foundation modeling and the uncertainty of soil properties is expanded to the foundation stiffness and strength parameters variability. Monte Carlo (MC) simulation technique is employed for probabilistic evaluations. By investigating the probabilistic evaluation results it's observed that as the soil and foundation become stiffer, the soil uncertainty is found to be less important in influencing the response variability. On the other hand, the soil uncertainty becomes more important as the foundation-structure system is expected to experience nonlinear behavior to more sever degree. Since full probabilistic analysis methods like MC commonly are very time consuming, the feasibility of simple approximate methods' application including First Order Second Moment (FOSM) method and ASCE41 proposed approach for the soil uncertainty considerations is investigated. By comparing the results of the approximate methods with the results obtained from MC, it's observed that the results of both FOSM and ASCE41 methods are in good agreement with the results of MC simulation technique and they show acceptable accuracy in predicting the response variability.
The differential settlements and rotations among footings cannot be avoided when the frame-footing-soil system is subjected to seismic/dynamic loading. Also, there may be a situation where column(s) of a building are located near adjoining property line causes eccentric loading on foundation system. The strap beams may be provided to control the rotation of the footings within permissible limits caused due to such eccentric loading. In the present work, the seismic interaction analysis of a three-bay three-storey, space frame-footing-strap beam-soil system is carried out to investigate the interaction behavior using finite element software (ANSYS). The RCC structure and their foundation are assumed to behave in linear manner while the supporting soil mass is treated as nonlinear elastic material. The seismic interaction analyses of space frame-isolated footing-soil and space frame-strap footing-soil systems are carried out to evaluate the forces in the columns. The results indicate that the bending moments of very high magnitude are induced at column bases resting on eccentric footing of frame-isolated footing-soil interaction system. However, use of strap beams controls these moments quite effectively. The soil-structure interaction effect causes significant redistribution of column forces compared to non-interaction analysis. The axial forces in the columns are distributed more uniformly when the interaction effects are considered in the analysis.
The present research intends to study the effects of the seismic soil-foundation-structure interaction (SFSI) on the dynamic response of various buildings. Two methods including direct and Cone model were studied through 3D finite element method using ABAQUS software. Cone model as an approximate method to consider the SFSI phenomenon was developed and evaluated for both high and low rise buildings. Effect of soil nonlinearity, foundation rigidity and embedment as well as friction coefficient between soil-foundation interfaces during seismic excitation are investigated. Validity and performance of both approaches are evaluated as reference graphs for Cone model and infinite boundary condition, soil nonlinearity and amplification factor for direct method. A series of calculations by DeepSoil for inverse earthquake record modification was conducted. A comparison of the two methods was carried out by root-mean-square-deviation (RMSD) tool for maximum lateral displacement and story shear forces which verifies that Cone model results have good agreement with direct method. It was concluded that Cone method is a convenient, fast and rather accurate method as an approximate way to count for soil media.
Previous studies have shown that pile-soil interactions have significant influences on the isolation efficiency of an isolated structure. However, most of the existing tests were carried out using a 1-g shaking table, which cannot reproduce the soil stresses resulting in distortion of the simulated pile-soil interactions. In this study, a centrifuge shaking table modelling of the seismic responses of a friction pendulum bearing isolated structure with a pile foundation under earthquakes were conducted. The pile foundation structure was designed and constructed with a scale factor of 1:100. Two layers of the foundation soil, i.e., the bottom layer was made of plaster and the upper layer was normal soil, were carefully prepared to meet the similitude requirement. Seismic responses, including strains, displacement, acceleration, and soil pressure were collected. The settlement of the soil, sliding of the isolator, dynamic amplification factor and bending moment of the piles were analysed to reveal the influence of the soil structure interaction on the seismic performance of the structure. It is found that the soil rotates significantly under earthquake motions and the peak rotation is about 0.021 degree under 24.0 g motions. The isolator cannot return to the initial position after the tests because of the unrecoverable deformation of the soil and the friction between the curved surface of the slider and the concave plate.
The paper focuses on the seismic responses of a hyperbolic cooling tower resting on soil foundation represented by the three-parameter Vlasov elastic soil model. The three-parameter soil model eliminates the necessity of field testing to determine soil parameters such as reaction modulus and shear parameter. These parameters are calculated using an iterative procedure depending on the soil surface vertical deformation profile in the model. The soil and tower system are modeled in SAP2000 structural analysis program using a computing tool coded in MATLAB. The tool provides a two-way data transfer between SAP2000 and MATLAB with the help of Open Application Programming Interface (OAPI) feature of SAP2000. The response spectrum analyses of the tower system with circular V-shaped supporting columns and annular raft foundation on elastic soil are conducted thanks to the coded tool. The shell and column forces and displacements are presented for different soil conditions and fixed raft base condition to investigate the effects of soil-structure interaction. Numerical results indicate that the flexibility of soil foundation leads to an increase in displacements but a decrease in shell membrane and column forces. Therefore, it can be stated that the consideration of soil-structure interaction in the seismic response analysis of the cooling tower system provides an economical design process.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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