Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.1
no.3
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pp.1-10
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1997
It is recognized that the dynamic of a structure is affected by the characteristics of the soil layer and foundation. However the design codes for the seismic design of structures are partially reflecting the caharcteristics of the soil layers due to the inherent complexity of them and the lack of systematic study results for the foundation-soil system, and leading to unconservative or too conservative results. In this study, the kinematic interaction effects of foundation-soil system was investigated for the seismic analyses of structures estimating the effects of the shear wave velocity, the depth of the soil layer, the embedment of a foundation and pile foundation, and the modified classification criteria of soil layers are proposed for the reasonable seismic analyses of structures considering the characteristics of soil layers and foundations. For the embedded medium or large foundations (including pile foundations), at least 60m soil layer below the foundation should be considered for the seismic analyses of structures to tate into account the kinematic interaction effects of the foundation-soil system, and also the rocking motion of foundation-soil system with or without piles should be included in the seismic analyses of structures.
Structures such as bridge columns installed on the asymmetric ground such as mountain areas and sloping ground are subject to various loads such as wind, temperature, earthquake, and etc. The pile foundation is generally applied to bridge columns on the asymmetric ground in order to stably support structures. The behavior of the pile foundation supporting bridge columns changes due to various load conditions. In particular, ground-pile-structure interactions should be studied to analyze the behavior of the pile foundation that supports bridge columns effected by dynamic loads such as earthquakes. The pile foundation installed on the asymmetric ground effected by the earthquake has the complicated dynamic interaction between the foundation and the ground due to the ground slope, the difference in soil resistance according to the shaking direction, and the ground movements. In this study, the 1g shaking table tests were conducted to confirm the effect of the slope of the sloping ground on the dynamic behavior of group piles supporting the superstructure installed at the berm of the sloping sandy soil which is the asymmetric ground. The result shows that the acceleration of the pile cap and the superstructure decrease as the slope of the sloping ground increase, and the slope of the dynamic p-y curve of the pile decrease.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.32
no.3
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pp.155-164
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2019
In this study, the soil-structure interaction(SSI) effect on the seismic response of LNG storage tanks was investigated according to the type of foundation. For this purpose, a typical of LNG storage tank with a diameter of 71m, which is constructed on a 30m thick clay layer over bedrock was selected, and nonlinearity of the soil was taken into account by the equivalent linearization method. Four different types of foundations including shallow foundation, piled raft foundation, and pile foundations(surface and floating types) were considered. In addition, the effect of soil compaction in group piles on seismic response of the tank was investigated. The KIESSI-3D, which is a SSI analysis package in the frequency domain, was used for the SSI analysis. Stresses in the outer tank, and base shear and overturning moment in the inner tank were calculated. From the comparisons, the following conclusions could be made: (1) Conventional fixed base seismic responses of outer tank and inner tank can be much larger than those of considering the SSI effect; (2) The influence of SSI on the dynamic response of the inner tank and the outer tank depends on the foundation types; and (3) Change in the seismic response of the structure by soil compaction in the piled raft foundation is about 10% and its effect is not negligible in the seismic design of the structure.
In engineering practices, the superstructure was analyzed under a fixed boundary condition and the foundation was designed by considering the loading condition of superstructure. It may result in overestimation of forces, the bending moment, settlement of superstructure and foundation. In this study, an interactive analytical method is proposed for the interaction between the superstructure and the piled raft. The overall objective of this study is focused on the application of interactive analysis method for predicting behavior of entire structures. And a series of numerical analyses are performed to verify the interactive analysis routine in comparison to the unified analysis method. Through the comparative studies, it is found that the iterative and interactive analysis gave similar results of settlement and raft bending moment compared with those of finite element analysis. And it is also found that the proposed design method considering interaction between superstructure and foundation is capable of predicting reasonably well the behavior of entire structures. It can be effectively used to the design of a superstructure-piled raft foundation system.
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.
Many 1g shaking table tests with an SDOF structure supported by a single pile were performed to evaluate the soil-structure interaction (SSI) effect. Since most structures supported by group piles are MDOF structures with columns, the SSI effect is simulated using a large 1g shaking table test and numerical analysis. According to the results, the movement in the piles tends to increase with input acceleration and when the input frequency is similar to the natural frequency. Furthermore, the slope of the dynamic p-y curve remains constant regardless of the variation of acceleration and input frequency. According to the results of the dynamic p-y backbone curve and the moment of group piles, a center pile with a leading pile has more soil resistance than side piles with a trailing pile, and the effect of group piles is observed above the 7D center to center pile distance.
Parametric studies for various site conditions by using 3d numerical model were carried out in order to estimate dynamic behavior of soil-pile-structure system in dry soil deposits. Proposed model was analyzed in time domain using FLAC3D which is commercial finite difference code to properly simulate nonlinear response of soil under strong earthquake. Mohr-Coulomb criterion was adopted as soil constitutive model. Soil nonlinearity was considered by adopting the hysteretic damping model, and an interface model which can simulate separation and slip between soil and pile was adopted. Simplified continuum modeling was used as boundary condition to reduce analysis time. Also, initial shear modulus and yield depth were appropriately determined for accurate simulation of system's nonlinear behavior. Parametric study was performed by varying weight of superstructure, pile length, pile head fixity, soil relative density with proposed numerical model. From the results of parametric study, it is identified that inertial force induced by superstructure is dominant on dynamic behavior of soil-pile-structure system and effect of kinematic force induced by soil movement was relatively small. Difference in dynamic behavior according to the pile length and pile head fixity was also numerically investigated.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.32
no.6
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pp.367-374
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2019
We investigate the effect of soil-structure interaction (SSI) on the response of LNG storage tanks to vertical seismic excitation depending on the type of foundation. An LNG storage tank with a diameter of 71 m on a clay layer with a thickness of 30 m upon bedrock, was selected as an example. The nonlinear behavior of the soil was considered in an equivalent linear method. Four types of foundation were considered, including shallow, piled raft, and pile foundations (surface and floating types). In addition, the effect of soil compaction within the group pile on the seismic response of the tank was investigated. KIESSI-3D, an analysis package in the frequency domain, was used to study the SSI and the stress in the outer tank was calculated. Based on an analysis of the numerical results, we arrived at three main conclusions: (1) for a shallow foundation, the vertical stress in the outer tank is less than the fixed base response due to the SSI effect; (2) for foundations supported by piles, the vertical stress can be greater than the fixed base stress due to the increase in the vertical impedance due to the piles and the decrease in radiation damping; and (3) soil compaction had a miniscule impact on the seismic response of the outer tank.
Aseismic designs of pile-supported wharves are commonly performed utilizing simplified dynamic analyses, such as multi-mode spectral analyses. Simplified analyses can be useful for evaluating the limit state of structures. However, several pile-supported wharves, that have been damaged during past earthquakes, have shown that soil deformation and soil-pile dynamic interaction significantly affect the entire behavior of structures. Such behavior can be captured by performing nonlinear effective stress analyses, which can properly consider the dynamic interactions among the soil-pile-structure. The present study attempts to investigate the earthquake performance of a pile-supported wharf utilizing a three-dimensional numerical method. The damaged pile-supported wharf at the Kobe Port during the Hyogo-ken Nambu earthquake (1995) is selected to verify the applicability of the numerical modeling. Analysis results showed a suitable agreement with the observations on the damaged wharf, and the significant effect of excess pore pressure development and pile-soil dynamic interaction on the seismic performance of the wharf.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.33
no.4
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pp.245-253
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2020
In this study, natural frequencies are compared using several pile-soil interaction (PSI) models to evaluate the effects of each model on resonance safety checks for a monopile type of wind turbine structure. Base spring, distributed spring, and three-dimensional brick-shell models represented the PSIs in the finite element model. To analyze the effects of the PSI models on a natural frequency, after a stiffness matrix calculation and Winkler-based beam model for base spring and distributed spring models were presented, respectively; natural frequencies from these models were investigated for monopiles with different geometries and soil properties. These results were compared with those from the brick-shell model. The results show that differences in the first natural frequency of the monopiles from each model are small when the small diameter of monopile penetrates hard soil and rock, while the distributed spring model can over-estimate the natural frequency for large monopiles installed in weak soil. Thus, an appropriate PSI model for natural frequency analyses should be adopted by considering soil conditions and structure scale.
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