The soil-structure relative stiffness is a key factor affecting the seismic response of underground structures. It is of great significance to study the soil-structure relative stiffness for the soil-structure interaction and the seismic disaster reduction of subway stations. In this paper, the dynamic shear modulus ratio and damping ratio of an inhomogeneous soft soil site under different buried depths which were obtained by a one-dimensional equivalent linearization site response analysis were used as the input parameters in a 2D finite element model. A visco-elasto-plastic constitutive model based on the Mohr-Coulomb shear failure criterion combined with stiffness degradation was used to describe the plastic behavior of soil. The damage plasticity model was used to simulate the plastic behavior of concrete. The horizontal and vertical relative stiffness ratios of soil and structure were defined to study the influence of relative stiffness on the seismic response of subway stations in inhomogeneous soft soil. It is found that the compression damage to the middle columns of a subway station with a higher relative stiffness ratio is more serious while the tensile damage is slighter under the same earthquake motion. The relative stiffness has a significant influence on ground surface deformation, ground acceleration, and station structure deformation. However, the effect of the relative stiffness on the deformation of the bottom slab of the subway station is small. The research results can provide a reference for seismic fortification of subway stations in the soft soil area.
Soil-pile raft-structure interaction is recognized as a significant phenomenon which influences the seismic behaviour of structures. Soil structure interaction (SSI) has been extensively used to analyze the response of superstructure and piled raft through various modelling and analysis techniques. Major drawback of previous study is that overall interaction among entire soil-pile raft-superstructure system considering highlighting the change in design forces of various components in structure has not been explicitly addressed. A recent study addressed this issue in a broad sense, exhibiting the possibility of increase in pile shear due to SSI. However, in this context, relative stiffness of raft and that of pile with respect to soil and length of pile plays an important role in regulating this effect. In this paper, effect of relative stiffness of piled raft and soil along with other parameters is studied using a simplified model incorporating pile-soil raft and superstructure interaction in very soft, soft and moderately stiff soil. It is observed that pile head shear may significantly increase if the relative stiffness of raft and pile increases and furthermore stiffer pile group has a stronger effect. Outcome of this study may provide insight towards the rational seismic design of piles.
This paper proposes the force equations(thrust, moment) of corrugated steel culverts through the finite element method. The conditions for maximum thrust and maximum moment are determined from the analysis of soil-structure interaction during the three construction stages, such as backfill to the crown, backfill to the soil cover, and live loads. The proposed form of thrust and moment equations are deduced from the analysis of behaviour and the application of Castigliano's second theorem for the semi-arch structure. Finally, the coefficients used in the proposed equations are determined from a large number of analysis for the various geometries and the soil-structure relative stiffness under the conditions of maximum thrust and maximum moment.
Ground motions recorded in near-fault sites, where the rupture propagates toward the site, are significantly different from those observed in far-fault regions. In this research, finite element modeling is used to investigate the effect of pile cap stiffness on the seismic response of soil-pile-structure systems under near-fault ground motions. The Von Wolffersdorff hypoplastic model with the intergranular strain concept is applied for modeling of granular soil (sand) and the behavior of structure is considered to be non-linear. Eight fault-normal near-field ground motion records, recorded on rock, are applied to the model. The numerical method developed is verified by comparing the results with an experimental test (shaking table test) for a soil-pile-structure system. The results, obtained from finite element modeling under near-fault ground motions, show that when the value of cap stiffness increases, the drift ratio of the structure decreases, whereas the pile relative displacement increases. Also, the residual deformations in the piles are due to the non-linear behavior of soil around the piles.
This paper presents the simplified but more rational analysis method for the prediction of additional internal forces induced in integral abutment bridges. These internal forces depend upon the degree of restraint provided tc the deck by the backfill soil adjacent to the abutments and piles. In addition, effect of the relative flexural stiffness ratio among pile foundations, abutment, and superstructure on the structural behavior is also an important factor. The first part of the paper develops the stiffness matrices, written in terms of the soil stiffness, for the lateral and rotational restraints provided by the backfill soil adjacent to the abutment. The finite difference analysis is conducted and it is confirmed that the results are agreed well with the predictions obtained by the proposed method. The simplified spring model is used in the parametric study on the behavior of simple span and multi-span continuous integral abutment PSC beam bridges in which the abutment height and the flexural rigidity of piles are varied. These results are compared with those obtained by loading Rankine passive earth pressure according to the conventional method. From the results of parametric study, it was shown that the abutment height, the relative flexural rigidity of superstructure and piles, and the earth pressure induced by temperature change greatly affect the overall structural response of the bridge system. It may be possible to obtain more rational and economical designs for integral abutment bridges by the proposed method.
The influence of tunnelling on buildings has become an important issue in urban areas. The problem is an interactive one: not only do tunnelling settlements affect existing structures, but existing structures affect tunnel-induced soil movements. In order to examine the constraint of surface settlement and the degradation of building damage parameters, 3-dimensional elasto-plastic finite element analyses are peformed. Also, in this paper, the results of the parametric studies for the variations of the damage parameters due to the ground movements are presented by utilizing 2-dimensional elasto-plastic finite element models, totally 162 models. The width of a structure, its bending and axial stiffness, its position relative to the tunnel and the depth of tunnel are considered. The interaction is shown by reference to commonly-used building damage parameters, namely angular distortion, deflection ratio, maximum building settlements, maximum differential settlements and horizontal strain. By introducing relative stiffness parameters which combine the bending and axial stiffness of the structure with its width and stiffness of soil, design curves are established. These give a guide as to the likely modification of the greenfield settlement trough caused by a surface structure. They can be used to give initial estimates of likely building damage.
The lateral load which is applied to the pile foundation supporting the superstructure during an earthquake is divided into the inertia force of the upper structure and the kinematic force of the ground. The inertia force and the kinematic force could cause failure to the pile foundation through different complex mechanisms. So it is necessary to predict and evaluate interaction of the ground-pile-structure properly for the seismic design of the foundation. The interaction is affected by the lateral behavior of the structure, the length of the pile, the boundary conditions of the head, and the relative density of the ground. Confining pressure and ground stiffness change accordingly when the relative density changes, and it results that the coefficient of subgrade reaction varies depending on each system. Horizontal bearing behavior and capacity of the pile foundation vary depending on lateral load condition and relative density of the sandy soil. Therefore, the 1g shaking table tests were conducted to confirm the effect of the relative density of the dried sandy soil to dynamic behavior of the group pile supporting the superstructure. The result shows that, as the relative density increases, maximum acceleration of the superstructure and the pile cap increases and decreases respectively, and the slope of the p-y curve of the pile decreases.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.5
no.1
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pp.123-132
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1985
The flexibility of base material gives considerable influences on seismic responses of a structure. The effects of relative stiffness between super-structure and base material on dynamic soil-structure interaction are evaluated by parametric studies. Two 5-story buildings are used for the study; one is shearwall structure with relatively higher fundamental frequency and the other is frame structure with relatively lower fundamental frequency. The structures are modeled as beam-sticks coupled with springs and dashpots representing the base material. Dynamic equilibrium equations of the soil-structure interaction system are sloved by mode superposition method using Rosset modal damping values. Soil-structure interaction effect is found to be major concern in seismic analysis of shearwall structure in most cases while it seldom becomes engineering problem in frame-type structure. It is also found that seismic responses at lower elevation of the super-structure are amplified though they decrease at higher elevation as soil-structure interaction effects of the system increase.
This study undertook research on the sections of 90 harbor structures which applied a pile-type soil improvement using the soil-cement pile and then, determined the minimum replacement rate for each section, showing sufficient stability in all relevant studies including numerical analysis. The reliability of the numerical analysis was verified by a centrifuge model test. As a result of the study, it was revealed that when the foundation soil is too soft ($s_u$ = under 15 kPa), it is unsuitable to apply a pile-type ground improvement to a soil improvement regardless of types of super structures. And a pile-type soil improvement was found to be suitable for a harbor structure with the relative stiffness ratio (n) of less than 50~75 at a maximum and the 2~3 MPa strength of the soil-cement pile. Furthermore the governing factor for the minimum replacement rate for the pile-type soil improvement was turned out to be the allowable horizontal displacement. Therefore, the primary review to see the applicability of the pile-type soil improvement requires the evaluation of horizontal displacements.
For structures with underground basement walls, the soil-structure-interaction between the side soil and the walls affects the response of the system. There is interest in quantifying the relationship between the lateral earth pressure and the wall displacement using p-y curves. To date, passive p-y curves in available limited studies were assumed elastic-perfectly plastic. In reality, the relationship between earth pressure and wall displacement is complex. This paper focuses on studying the development of passive p-y curves behind rigid walls supporting granular soils. The study aims at identifying the different components of the passive p-y relationship and proposing a rigorous non-linear p-y model in place of simplified elastic-plastic models. The results of the study show that (1) the p-y relationship that models the stress-displacement response behind a rigid basement wall is highly non-linear, (2) passive p-y curves are affected by the height of the wall, relative density, and depth below the ground surface, and (3) passive p-y curves can be expressed using a truncated hyperbolic model that is defined by a limit state passive pressure that is determined using available logarithmic spiral methods and an initial slope that is expressed using a depth-dependent soil stiffness model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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