In a nonlinear site response analysis which is performed in time domain, small strain damping is modeled as viscous damping through use of various forms of Rayleigh damping formulations. Small strain damping of soil is known to be independent of the loading frequency, but the viscous damping is greatly influenced by the loading frequency. The type of Rayleigh damping formulation has a pronounced influence on the dependence. This paper performs a series of nonlinear analyses to evaluate the degree of influence of the viscous damping formulation on Korean soil profiles. Analyses highlight the strong influence of the viscous damping formulation for soil profiles exceeding 30 m in thickness, commonly used in simplified Rayleigh damping formulation overestimating energy dissipation at high frequencies due to artificially introduced damping. When using the full Rayleigh damping formulation and carefully selecting the optimum modes, the artificial damping is greatly reduced. Results are further compared to equivalent linear analyses. The equivalent linear analyses can overestimate the peak ground acceleration even for shallow profiles less than 20 m in thickness.
As the construction of nuclear power plants are increased, nuclear wastes disposal has been faced as a serious problem. If nuclear wastes are to be buried in the underground stratum, thermo-mechanical behavior of stratum must be analyzed, because high temperature distribution has a significant effect on tunnel and surrounding stratum. In this study, in order to analyze the structural behavior of the underground which is subject to concentrated heat sources, a coupling method of nonlinear finite elements and linear boundary elements is proposed. The nonlinear finite elements (NFE) are applied in the vicinity of nuclear depository where thermo-mechanical stress is concentrated. The boundary elements are also used in infinite domain where linear behavior is expected. Using the similar method as for the problem in mechanical field, the coupled nonlinear finite element-boundary element (NFEBE) is developed. It is found that NFEBE method is more efficient than NFE which considers nonlinearity in the whole domain for the nuclear wastes depository that is expected to exhibit local nonlinearity behavior. The effect of coefficients of the rock mass such as Poisson's ratio, elastic modulus, thermal diffusivity and thermal expansion coefficient is investigated through the developed method. As a result, it is revealed that the displacements around tunnel are largely dependent on the thermal expansion coefficients.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.7
no.4
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pp.15-22
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2003
Seismic design codes developed taking into account the strong earthquakes may result in unnecessary economical loss in the low seismic area, and the importance of the performance based design considering the soil-structure interaction is recognized for the reasonable seismic design. In this study. elastic and inelastic seismic response analyses of a single degree of freedom system on the soft soil layer were performed considering the nonlinearity of the soil for the 1 weak earthquakes scaled to the nominal peak accelerations of 0.07g and 0.11g. The seismic response analyses were performed in one step applying the earthquake motions to the bedrock, utilizing a pseudo 3-D dynamic analysis software of the soil-structure system. The study results indicated that seismic response spectra of a system assuming the rigid base or the linear soil layer does not represent the true behavior of a structure-soil system, and it is necessary to take into account the nonlinear soil-structure interaction effects and to perform the performance based seismic design for the various soil layers, having different characteristics, rather than to follow the routine design procedures specified in the design codes for the reasonable seismic design. The nonlinearity of the soft soil excited with the weak seismic motions also affected significantly on the elastic and inelastic seismic response spectra of a system due to the nonlinear soil amplification of the earthquake motions, and it was pronounced especially for the elastic response spectra.
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2020.06a
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pp.86-86
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2020
수리구조물에 관한 기존 연구들은 대부분 기능성과 안정성 측면에서 본체에 작용하는 유체력에 대한 안정성에 주안점을 두고 있다. 수리구조물 상·하류의 수위차에 기인한 기초지반내의 흐름 및 간극수압 변화는 하천 구조물의 안정성을 연구하는데 매우 중요하다. 해양에서는 파랑하중에 의한 과잉간극수압이 액상화를 발생시켜 해안구조물의 안정에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되며, 이에 관련 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 반면, 하천구조물 주변 지반의 흐름 및 간극수압 뿐 아니라, 액상화에 관한 연구는 아직 미진한 실정이다. 본 연구에서는 수리구조물 주변의 유동 및 와동 현상 뿐 아니라, 수위차에 따른 지반 내부 유동장과 간극수압에 관한 특성을 분석하기 위해 유체-구조물-지반 비선형 상호작용을 고려할 수 있는 수치수조를 새롭게 제안하였다. 그리고 제안하는 수치수조의 타당성 및 유효성을 검증하기 위해 기존 실험값과 비교·검토를 수행하였고, 그 결과는 거의 유사한 경향을 나타내었다. 또한 이 수치수조에 다양한 입사조건(상·하류 수위차)에 적용하여 유체-구조물-지반의 비선형동적상호간섭 해석을 수행하였다. 최종적으로 수치수조에서 측정한 구조물 주변의 유동, 와동, 수위로부터 수리특성을 논의하였다. 게다가 지반내의 흐름과 간극수압을 측정하여 상·하류 수위차가 수리구조물의 안정성에 미치는 영향을 분석할 수 있었다.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.11
no.1
s.53
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pp.67-77
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2007
Site coefficients in IBC and KBC codes have some limits to predict the rational seismic responses of a structure, because they take into account only the effect of the soil amplification without the effects of the structure-soil interaction. In this study, upper and lower limits of the site coefficients are estimated through the pseudo 3-D elastic seismic response analyses of structures built on the linear or nonlinear soil layers taking Into account the effects of the structure-soil interaction. 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 the 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 located at 30m deep under 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 $F_{a}\;and\;F_{v}$ at the short period range and the period of 1 second are suggested including the effects of the structure-soil interaction, and new site coefficients for the KBC code are also suggested.
Normally consolidated and slightly overconsolidated soft clay layer is widely distributed in the south coast of Korea. To ensure the efficient and economical construction design of any structure to be built on this soft soil, exhaustive studies are required related to geotechnical engineering properties. In this study, the relationship of the physical properties of southern marine clay in the Korea Peninsula were examined, including natural water content, specific gravity, total unit weight, initial void ratio, liquid limit, plastic limit, and physical properties of activity and soil parameters. For the parameter relationship analysis, the latest relatively reliable data on the large harbor construction work were used, optimum values were deducted with linear regression and non-linear regression between soil parameters, water content or initial void ratio appears to be very large. Moreover, in the linear and involution pattern regression, equal coefficient of determination appeared. The relationship of the different parameters was shown to be excellent in the non-linear regression of involution equation and exponential equation pattern compared with the findings of linear regression analysis.
The renowned Terzaghi's one-dimensional consolidation theory is not applicable to quantification of time-rate settlement for highly deformable soft clays such as dredged soil deposits. To deal with this special condition, a non-linear finite strain consolidation theory should be adopted to predict the settlement of dredged soil deposits including self-weight and surcharge-induced consolidation. It is of importance to determine the zero effective stress void ratio ($e_{00}$), which is the void ratio at effective stress equal to zero, and the relationships of void ratio-effective stress and of void ratio-hydraulic conductivity for characterizing non-linear finite strain consolidation behavior for deformable dredged soil deposits. The zero effective stress void ratio means a transitional status from sedimentation to self-weight consolidation of dredged soils. In this paper, laboratory procedures and equipments are introduced to measure such key parameters in the non-linear finite strain consolidation analysis. In addition, the non-linear finite strain consolidation parameters of the Incheon clay and kaolinite are evaluated with the aid of the proposed methods in this paper, which will be used as input parameters for the non-linear finite strain consolidation analyses being performed in the companion paper.
Choi, Hang-Seok;Kwak, Tae-Hoon;Lee, Chul-Ho;Lee, Dong-Seop;Stark, T.D.
Journal of the Korean Geotechnical Society
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v.27
no.11
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pp.5-15
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2011
This paper presents two analysis methods for characterizing the non-linear finite strain consolidation behavior of highly deformable dredged soil deposits along with the fundamental parameters obtained in the companion paper; that is, the zero effective stress void ratio, the non-linear relationships of void ratio-effective stress and void ratio-hydraulic conductivity. The simplified Morris's analytical solution (2002) and the widely recognized numerical program, PSDDF (primary Consolidation, Secondary Compression, and Desiccation of Dredged Fill) for both single and double drainage conditions are adopted in this paper to verify a series of laboratory experiments for self-weight consolidation of the Incheon clay and Kaolinite. The comparisons show that the analysis methods proposed herein can properly simulate the long-term non-linear finite strain consolidation behavior for dredged soils in the field. In addition, a case study for the artificial Craney Island has been conducted to illustrate the importance of obtaining appropriate non-linear finite strain consolidation parameters and the applicability of PSDDF in promoting dredged soil disposal.
Lee, Gye Hee;Hong, Kwan Young;Lee, Eun Haeng;Kim, Jae Min
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.27
no.2
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pp.95-102
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2014
In this paper, a coupling scheme for applying finite element analysis(FEA) programs, such as, LS-DYNA and MIDAS/Civil, to a nonlinear soil structure interaction analysis by the boundary reaction method(BRM) is presented. With the FEA programs, the structure and soil media are discretized by linear or nonlinear finite elements. To absorb the outgoing elastic waves to unbounded soil region as much as possible, the PML elements and viscous-spring elements are used at the outer FE boundary, in the LS-DYNA model and in MIDAS/Civil model, respectively. It is also assumed that all the nonlinear elements in the problem are limited to structural region. In this study, the boundary reaction forces for the use in the BRM are calculated using the KIESSI-3D program by solving soil-foundation interaction problem subjected to incident seismic waves. The effectiveness of the proposed approach is demonstrated with a linear SSI seismic analysis problem by comparing the BRM solution with the conventional SSI solution. Numerical comparison indicates that the BRM can effectively be applied to a nonlinear soil-structure analysis if motions at the foundation obtained by the BRM for a linear SSI problem excluding the nonlinear structure is conservative.
Nonlinearity and anisotropy of soil should be considered for the exact prediction of deformation before the failure state. In this study, a new constitutive model is developed in which the nonlinearity of soil is formulated by Ramberg-Osgood equation and the soil anisotropy is implemented by the cross-anisotropic elasticity. Nonlinear anisotropic model and other models for comparison are used to analyze the simple boundary value problems and the circular footing problem. In the results, the anisotropic ratio of elastic modulus is a key value for the bulk modulus of soil, the coeffcient of earth pressure at rest, and the slope of effective stress paths. Furthermore, it is found that the nonlinearity of soil considering the in-situ stresses has the great influence on the magnitude of settlements.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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