Various centrifuge model tests on the pile foundations were performed to investigate fundamental characteristics of a pile-soil-foundation system recently, but it is hard to find numerical analysis results of a pile foundation system considering the nonlinear behavior of soil layers due to the dynamic excitations. Numerical analyses for a pile-soil system were carried out to verify the experimental results of centrifuge model tests. Centrifuge model tests were performed at the laboratory applying 1.5 Hz sinusoidal base input motions, and nonlinear numerical analyses were performed utilizing a finite element program of P3DASS in the frequency domain and applying the same input motions with the intensities of 0.05 g~0.38 g. Nonlinear soil properties of soil elements were defined by Ramberg-Osgood soil model for the nonlinear dynamic analyses. Nonlinear numerical analyses with the P3DASS program were helpful to predict the trend of experimental responses of a centrifuge model efficiently, even though there were some difficulties in processing analytical results and to find out unintended deficits in measured experimental data. Also nonlinear soil properties of elements in the system can be estimated adequately using an analytical program to compare them with experimental results.
This paper presents a nonlinear soil-structure interaction analysis approach, which can consider precisely characteristics of structures, complicated soil profiles and nonlinear characteristics of soil. Although many methods have been developed to deal with the soil-structure interaction effects in past years, most of them are nearly unpractical since it is difficult to model complicated characteristics of structure and soil precisely. The presented approach overcomes the difficulties by adopting an maligned mesh generation approach and multi-linear model. The applicability of the proposed approach is validated and the effects of complicated characteristics of structure and soil on soil-structure interaction are investigated through the numerical example by the proposed nonlinear soil-structure interaction analysis approach.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2000.04a
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pp.120-129
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2000
As structure-soil interaction analysis for the seismic analysis of structures requires a nonlinear analysis of a structure-soil system considering the inelastic characteristics of soil layers nonlinear analyses of the foundation-soil system with the horizontal excitation were performed considering the nonlinear soil conditions for the nonlinear seismic analysis of structures. Stiff soil profile of SD and soft soil profile of SE specified in UBC were considered for the soil layers of a foundation and Ramberg-Osgood model was assumed for the nonlinear characteristics of soil layers. Studies on the changes of dynamci stiffnesses and damping rations of surface and embedded foundations depending on foundation size soil layer depth and piles were performed to investigate the effects of the nonlinear soil layer on the horizontal and rotational dynamic stiffnesses and damping ratios of the foundation-soil system According to the study results nonlinear prperties of a soil laryer decreeased horizontal and rotational linear stiffnesses and increased damping ratios largely Effects of foundation size soil layer depth and piles were also significant suggesting the necessity of nonlinear seismic analyses of structures.
It is well known that the properties of the soil deposits, especially the damping, depend on both frequency and strain amplitude. Therefore it is important to consider both dependencies to calculate the soil response against earthquakes in order to estimate input motions to buildings. However, it has been difficult to calculate the seismic response of the soil considering both dependencies directly. The author has studied the time domain evaluation of the frequency dependent dynamic stiffness, and proposed a simple hysteretic damping model that satisfies the causality condition. In this paper, this model was applied to nonlinear analyses considering the effects of the strain amplitude dependency of the soil. The basic characteristics of the proposed method were studied using a two layered soil model. The response behavior was compared with the conventional model e.g. the Ramberg-Osgood model and the SHAKE model. The characteristics of the proposed model were studied with regard to the effects of element divisions and the frequency dependency that is a key feature of the model. The efficiency of the model was confirmed by these studies.
The foundation of a tall building frame resting on settable soil mass undergoes differential settlements which alter the forces in the structural members significantly. For tall buildings it is essential to consider seismic forces in analysis. The building frame, foundation and soil mass are considered to act as single integral compatible structural unit. The stress-strain characteristics of the supporting soil play a vital role in the interaction analysis. The resulting differential settlements of the soil mass are responsible for the redistribution of forces in the superstructure. In the present work, the nonlinear interaction analysis of a two-bay ten-storey plane building frame- layered soil system under seismic loading has been carried out using the coupled finite-infinite elements. The frame has been considered to act in linear elastic manner while the soil mass to act as nonlinear elastic manner. The subsoil in reality exists in layered formation and consists of various soil layers having different properties. Each individual soil layer in reality can be considered to behave in nonlinear manner. The nonlinear layered system as a whole will undergo differential settlements. Thus, it becomes essential to study the structural behaviour of a structure resting on such nonlinear composite layered soil system. The nonlinear constitutive hyperbolic soil model available in the literature is adopted to model the nonlinear behaviour of the soil mass. The structural behaviour of the interaction system is investigated as the shear forces and bending moments in superstructure get significantly altered due to differential settlements of the soil mass.
Kim, Y.T.;Kim, D.K.;Choi, H.S.;Yu, S.Y.;Park, K.S.
Structural Engineering and Mechanics
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v.61
no.6
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pp.737-746
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2017
The touch down zone (TDZ) and top connection point of the vessel are most critical part of fatigue damage in the steel catenary riser (SCR). In general, the linear soil model has been used to evaluate fatigue performance of SCRs because it gives conservative results in the TDZ. However, the conservative linear soil model shows the limitation to accommodate real behavior in the TDZ as water depth is increased. Therefore, the riser behavior on soft clay seabed is investigated using a nonlinear soil model through time domain approach in this study. The numerical analysis considering various important parameters of the nonlinear soil model such as shear strength at mudline, shear strength gradient and suction resistance force is conducted to check the adoptability and applicability of nonlinear soil model for SCR design.
Yu, Su Young;Choi, Han Suk;Lee, Seung Keon;Park, Kyu-Sik;Kim, Do Kyun
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.7
no.2
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pp.227-243
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2015
In this paper, the effects of nonlinear soft clay on dynamic embedment of offshore pipeline were investigated. Seabed embedment by pipe-soil interactions has impacts on the structural boundary conditions for various subsea structures such as pipeline, riser, pile, and many other systems. A number of studies have been performed to estimate real soil behavior, but their estimation of seabed embedment has not been fully identified and there are still many uncertainties. In this regards, comparison of embedment between field survey and existing empirical models has been performed to identify uncertainties and investigate the effect of nonlinear soil parameter on dynamic embedment. From the comparison, it is found that the dynamic embedment with installation effects based on nonlinear soil model have an influence on seabed embedment. Therefore, the pipe embedment under dynamic condition by nonlinear parameters of soil models was investigated by Dynamic Embedment Factor (DEF) concept, which is defined as the ratio of the dynamic and static embedment of pipeline, in order to overcome the gap between field embedment and currently used empirical and numerical formula. Although DEF through various researches is suggested, its range is too wide and it does not consider dynamic laying effect. It is difficult to find critical parameters that are affecting to the embedment result. Therefore, the study on dynamic embedment factor by soft clay parameters of nonlinear soil model was conducted and the sensitivity analyses about parameters of nonlinear soil model were performed as well. The tendency on dynamic embedment factor was found by conducting numerical analyses using OrcaFlex software. It is found that DEF was influenced by shear strength gradient than other factors. The obtained results will be useful to understand the pipe embedment on soft clay seabed for applying offshore pipeline designs such as on-bottom stability and free span analyses.
The shear strength of unsaturated soils, a research hotspot in geotechnical engineering, has great guiding significance for geotechnical engineering design. Although kinds of calculation models for the shear strength of unsaturated soil have been put forward by predecessors, there is still need for new models to extensively consider the nonlinear variation of shear strength, particularly for the nonlinear effect of the net normal stress on the shear strength of unsaturated soil. Here, the shear strength of unsaturated soils is explored to study the nonlinear effects of net normal stress with the introduction of a general nonlinear Mohr-Coulomb (M-C) strength criterion, and the relationship between the matric suction (or suction stress) and degree of saturation (DOS) constructed by the soil-water characteristics curve (SWCC) of van Genuchten is also applied for unsaturated soil. Then, two calculation models (i.e., an envelope shell model and an effective stress model) are established for the shear strength of unsaturated soils under the nonlinear strength theory. In these two models, the curve of the shear strength of unsaturated soils versus the net normal stress exhibits a tendency to gently. Moreover, the proposed formulas have flexibility and convenience with five parameters (for the effective stress model) or six parameters (for the envelope shell model), which are from the M-C strength parameters of the saturated soil and fitting parameters of SWCC of van Genuchten. Thereafter, by comparison with the classical theory of the shear strength of unsaturated soils from some actual cases, the rationality and accuracy of the present models were verified.
In this study, the accuracy and reliability of fully nonlinear method against equivalent linear method for dynamic analysis of soil-structure interaction is investigated comparing the predicted results of both numerical procedures with the results of experimental shaking table tests. An enhanced numerical soil-structure model has been developed which treats the behaviour of the soil and the structure with equal rigour. The soil-structural model comprises a 15 storey structural model resting on a soft soil inside a laminar soil container. The structural model was analysed under three different conditions: (i) fixed base model performing conventional time history dynamic analysis, (ii) flexible base model (considering full soil-structure interaction) conducting equivalent linear dynamic analysis, and (iii) flexible base model performing fully nonlinear dynamic analysis. The results of the above mentioned three cases in terms of lateral storey deflections and inter-storey drifts are determined and compared with the experimental results of shaking table tests. Comparing the experimental results with the numerical analysis predictions, it is noted that equivalent linear method of dynamic analysis underestimates the inelastic seismic response of mid-rise moment resisting building frames resting on soft soils in comparison to the fully nonlinear dynamic analysis method. Thus, inelastic design procedure, using equivalent linear method, cannot adequately guarantee the structural safety for mid-rise building frames resting on soft soils. However, results obtained from the fully nonlinear method of analysis fit the experimental results reasonably well. Therefore, this method is recommended to be used by practicing engineers.
The goal of this study is to present an external pit corrosion rate($p_{ecr}$) model with considering both the age of pipe and the soil characteristics. The correlation of nonlinear exponential model among conventional empirical models was a little higher than other empirical models in the prediction of $p_{ecr}$ according to the age of pipe. However, there has been a limit to predict Peer with the model by using only a pipe age since installation as a variable. The soil analysis results from sixty nine samples showed that all of the samples were non corrosive in the assessment of ANSI/AWWA scoring system. The correlation of soil corrosion factors and $p_{ecr}$ was also low. The application result of linear and nonlinear regression models that soil characteristics only showed a low correlation with $p_{ecr}$ Proposed nonlinear regression model in this study, with considering both the age of pipe and the soil characteristics, showed a little higher correlation ($R^2=0.46$) than conventional model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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