KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.6
no.1
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pp.35-41
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1986
A hybrid modelling technique of a soil-structure system on viscoelastic soil medium is studied in this paper. The hybrid model consists of a near-field and a far-field with their common interface passing through the soil region at some distance from the base of the structure. It makes use of frequency-dependent impedances so as to represent the semi-infinite far-field. The far-field impedances are formulate including the radiation damping characteristics as well as the viscoelastic properties of the soil medium. The verification of the method has been carried out using a rigid circular plate on a viscoelastic half-space. The impedances obtained by the method are compared with the theoretical values. Example analyses have been performed for a tall chimney and the results have been compared with those obtained by other methods which are frequently used.
This study examines how the interaction between soil and a wind turbine's supporting system affects the optimal design. The supporting system resting on an elastic soil foundation consists of a steel conical tower and a concrete circular raft foundation, and it is subjected to wind loads. The material cost of the supporting system is aimed to be minimized employing various metaheuristic optimization algorithms including teaching-learning based optimization (TLBO). To include the influence of the soil in the optimization process, modified Vlasov and Gazetas elastic soil models are integrated into the optimization algorithms using the application programing interface (API) feature of the structural analysis program providing two-way data flow. As far as the optimal designs are considered, the best minimum cost design is achieved for the TLBO algorithm, and the modified Vlasov model makes the design economical compared with the simple Gazetas and infinitely rigid soil models. Especially, the optimum design dimensions of the raft foundation extremely reduce when the Vlasov realistic soil reactions are included in the optimum analysis. Additionally, as the designated design wind speed is decreased, the beneficial impact of soil interaction on the optimum material cost diminishes.
Cantilever retaining wall movements generally depend on the intensity and duration of ground motion, the response of the soil underlying the wall, the response of the backfill, the structural rigidity, and soil-structure interaction (SSI). This paper investigates the effect of material properties on seismic response of backfill-cantilever retaining wall-soil/foundation interaction system considering SSI. The material properties varied include the modulus of elasticity, Poisson's ratio, and mass density of the wall material. A series of nonlinear time history analyses with variation of material properties of the cantilever retaining wall are carried out by using the suggested finite element model (FEM). The backfill and foundation soil are modelled as an elastoplastic medium obeying the Drucker-Prager yield criterion, and the backfill-wall interface behavior is taken into consideration by using interface elements between the wall and soil to allow for de-bonding. The viscous boundary model is used in three dimensions to consider radiational effect of the seismic waves through the soil medium. In the seismic analyses, North-South component of the ground motion recorded during August 17, 1999 Kocaeli Earthquake in Yarimca station is used. Dynamic equations of motions are solved by using Newmark's direct step-by-step integration method. The response quantities incorporate the lateral displacements of the wall relative to the moving base and the stresses in the wall in all directions. The results show that while the modulus of elasticity has a considerable effect on seismic behavior of cantilever retaining wall, the Poisson's ratio and mass density of the wall material have negligible effects on seismic response.
The study deals with the physical modeling of a typical building frame resting on pile foundation and embedded in cohesive soil mass using complete three-dimensional finite element analysis. Two different pile groups comprising four piles ($2{\times}2$) and nine piles ($3{\times}3$) are considered. Further, three different pile diameters along with the various pile spacings are considered. The elements of the superstructure frame and those of the pile foundation are descretized using twenty-node isoparametric continuum elements. The interface between the pile and pile and soil is idealized using sixteen-node isoparametric surface elements. The current study is an improved version of finite element modeling for the soil elements compared to the one reported in the literature (Chore and Ingle 2008). The soil elements are discretized using eight-, nine- and twelve-node continuum elements. Both the elements of superstructure and substructure (i.e., foundation) including soil are assumed to remain in the elastic state at all the time. The interaction analysis is carried out using sub-structure approach in the parametric study. The total stress analysis is carried out considering the immediate behaviour of the soil. The effect of various parameters of the pile foundation such as spacing in a group and number piles in a group, along with pile diameter, is evaluated on the response of superstructure. The response includes the displacement at the top of the frame and bending moment in columns. The soil-structure interaction effect is found to increase displacement in the range of 58 -152% and increase the absolute maximum positive and negative moments in the column in the range of 14-15% and 26-28%, respectively. The effect of the soil- structure interaction is observed to be significant for the configuration of the pile groups and the soil considered in the present study.
Failure mechanism which can affect geotechnical infrastructures (shallow foundations, retaining walls, and piles) constitutes one of the most encountered problems during the design process. In this respect, the shear behavior of interfaces between grained soils and solid building materials, as well as those between cohesive soils should be investigated. Therefore, a range of ring shear tests with different cohesive soils and stainless-steel interfaces have been carried out through the Bromhead apparatus that allows simulating large displacements along a failure surface. The effects of steel rings roughness and soil type on the residual friction coefficient and the shear zone features (structure, thickness, and texture orientation angle) have been investigated using the Scanning Electron Microscopy. The obtained results indicate that the residual friction coefficient and the structural characteristics of the shear zone vary according to the surface roughness and the soil type. Scanning electron microscopy reveals that the particles inside the shear zone tend to be re-oriented. Also, the shear failure mechanism can be identified along with the interface, within the soil, or simultaneously at the interface and within the soil specimen.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.18
no.2
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pp.89-94
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2014
Spatial variations of a seismic wave are mainly wave passage and wave scattering. Wave passage effect is produced by changed characteristics of exciting seismic input motions applied to the bedrock. Modified input motions travel horizontally with time differences determined by apparent shear wave velocity of the bedrock. In this study, wave passage effect on the seismic response of a structure-soil system is investigated by modifying the finite element software of P3DASS (Pseudo 3-Dimensional Dynamic Analysis of a Structure-soil System) to apply inconsistent (time-delayed) seismic input motions along the soft soil-bedrock interface. Study results show that foundation size affected on the seismic response of a structure excited with inconsistent input motions in the lower period range below 0.5 seconds, and seismic responses of a structure were decreased considerably in the lower period range around 0.05 seconds due to the wave passage. Also, shear wave velocity of the bedrock affected on the seismic response of a structure in the lower period range below 0.3 seconds, with significant reduction of the seismic response for smaller shear wave velocity of the bedrock reaching approximately 20% for an apparent shear wave velocity of 1000m/s at a period of 0.05 seconds. Finally, it is concluded that wave passage effect reduces the seismic response of a structure in the lower period range when the bedrock under a soft soil is soft or the bedrock is located very deeply, and wave passage is beneficial for the seismic design of a short period structure like a nuclear container building or a stiff low-rise building.
The study deals with physical modeling of a typical three storeyed building frame supported by a pile group of four piles ($2{\times}2$) embedded in cohesive soil mass using three dimensional finite element analysis. For the purpose of modeling, the elements such as beams, slabs and columns, of the superstructure frame; and that of the pile foundation such as pile and pile cap are descretized using twenty noded isoparametric continuum elements. The interface between the pile and the soil is idealized using sixteen node isoparametric surface element. The soil elements are modeled using eight nodes, nine nodes and twelve node continuum elements. The present study considers the linear elastic behaviour of the elements of superstructure and substructure (i.e., foundation). The soil is assumed to behave non-linear. The parametric study is carried out for studying the effect of soil- structure interaction on response of the frame on the premise of sub-structure approach. The frame is analyzed initially without considering the effect of the foundation (non-interaction analysis) and then, the pile foundation is evaluated independently to obtain the equivalent stiffness; and these values are used in the interaction analysis. The spacing between the piles in a group is varied to evaluate its effect on the interactive behaviour of frame in the context of two embedment depth ratios. The response of the frame included the horizontal displacement at the level of each storey, shear force in beams, axial force in columns along with the bending moments in beams and columns. The effect of the soil- structure interaction is observed to be significant for the configuration of the pile groups and in the context of non-linear behaviour of soil.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2002.10a
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pp.123-128
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2002
In this paper, an averaged constitutive model of concrete and reinforcing bars for RC structure and path-dependent Ohsaki's model for soil are applied, and an elasto-plastic interface model having thickness is preposed for seismic analysis of underground RC subway station structure. A finite element analysis technique is developed by applying aforementioned constitutive equations and verified through seismic analysis of underground RC subway station. Then, failure mechanisms of the RC subway station structure under seismic action are numerically derived. Then, failure modes and damage levels of the station are also analytically evaluated for the cases of several designs of the underground RC station.
Frictional forces between soil and structural elements are of vital importance for the foundation engineering. Although numerous studies were performed about the soil-structure interaction in recent years, the approximate relations proposed in the first half of the 20th century are still used to determine the frictional forces. Throughout history, wood was often used as friction piles. Steel has started to be used in the last century. Today, alternatively these materials, FRP (fiber-reinforced polymer) piles are used extensively due to they can serve for long years under harsh environmental conditions. In this study, various ratios of low plasticity clays (CL) were added to the sand soil and compacted to standard Proctor density. Thus, soils with various internal friction angles (${\phi}$) were obtained. The skin friction angles (${\delta}$) of these soils with FRP, which is a composite material, steel (st37) and wood (pine) were determined by performing interface shear tests (IST). Based on the data obtained from the test results, a chart was proposed, which engineers can use in pile design. By means of this chart, the skin friction angles of the soils, of which only the internal friction angles are known, with FRP, steel and wood materials can be determined easily.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.14
no.4
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pp.337-356
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2012
Three-dimensional (3D) numerical analyses have been performed to study the behaviour of single piles and grouped piles to adjacent tunnelling in the lateral direction of the pile. In the numerical analyses, the interaction between the tunnel, the pile and the soil next to the piles and shear transfer mechanism have been analysed allowing soil slip at the pile-soil interface by using interface elements. The study includes the shear stresses at the soil next to the pile, the axial force distributions on the pile and the pile settlement. It has been found that existing elastic solutions may not accurately estimate the pile behaviour since several key issues are excluded. Due to changes in the shear transfer between the pile and the soil next to the pile with tunnel advancement, the shear stresses and axial force distributions along the pile change drastically. Downward shear stress develops above the tunnel springline while upward shear stress is mobilised below the tunnel springline, resulting in a compressive force on the pile. In addition, mobilisation of shear strength at the pile-soil interface was found to be a key factor governing pile-soil-tunnelling interaction. It has been found that grouped piles are less influenced by the tunnelling than the single pile in terms of the axial pile forces. The reduction of apparent allowable pile capacity due to pile settlement resulted from the tunnelling seemed to be insignificant.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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