For a given structural geometry, the stiffness and damping parameters of the soil and the dynamic response of the structure may change in the face of an equivalent linear soil behavior caused by a strong earthquake. Therefore, the influence of equivalent linear soil behavior on the impedance functions form and the seismic response of the soil-structure system has been investigated. Through the substructure method, the seismic response of the selected structure was obtained by an analytical formulation based on the dynamic equilibrium of the soil-structure system modeled by an analog model with three degrees of freedom. Also, the dynamic response of the soil-structure system for a nonlinear soil behavior and for the two types of impedance function forms was also analyzed by 2D finite element modeling using ABAQUS software. The numerical results were compared with those of the analytical solution. After the investigation, the effect of soil nonlinearity clearly showed the critical role of soil stiffness loss under strong shaking, which is more complex than the linear elastic soil behavior, where the energy dissipation depends on the seismic motion amplitude and its frequency, the impedance function types, the shear modulus reduction and the damping increase. Excellent agreement between finite element analysis and analytical results has been obtained due to the reasonable representation of the model.
This paper investigates the soil effect on seismic behaviour of reinforced concrete (RC) buildings by using the spread plastic hinge model which includes material and geometric nonlinearity of the structural members. Therefore, typical reinforced concrete frame buildings are selected and nonlinear dynamic time history analyses and pushover analyses are performed. Three earthquake acceleration records are selected for nonlinear dynamic time history analyses. These records are adjusted to be compatible with the design spectrum defined in Turkish Seismic Code. Interstory drifts and damages of selected buildings are compared according to local soil classes. Also, capacity curves of these buildings are compared with maximum responses obtained from nonlinear dynamic time history analyses. The results show that, soil class influences the seismic behaviour of reinforced concrete buildings, significantly.
Jahromi, H. Zolghadr;Izzuddin, B.A.;Zdravkovic, L.
Interaction and multiscale mechanics
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v.1
no.1
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pp.33-51
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2008
This paper investigates the modelling of coupled soil-structure interaction problems by domain decomposition techniques. It is assumed that the soil-structure system is physically partitioned into soil and structure subdomains, which are independently modelled. Coupling of the separately modelled partitioned subdomains is undertaken with various algorithms based on the sequential iterative Dirichlet-Neumann sub-structuring method, which ensures compatibility and equilibrium at the interface boundaries of the subdomains. A number of mathematical and computational characteristics of the coupling algorithms, including the convergence conditions and choice of algorithmic parameters leading to enhanced convergence of the iterative method, are discussed. Based on the presented coupling algorithms a simulation environment, utilizing discipline-oriented solvers for nonlinear structural and geotechnical analysis, is developed which is used here to demonstrate the performance characteristics and benefits of various algorithms. Finally, the developed tool is used in a case study involving nonlinear soil-structure interaction analysis between a plane frame and soil subjected to ground excavation. This study highlights the relative performance of the various considered coupling algorithms in modelling real soil-structure interaction problems, in which nonlinearity arises in both the structure and the soil, and leads to important conclusions regarding their adequacy for such problems as well as the prospects for further enhancements.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2002.03a
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pp.125-132
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2002
In this study, a numerical method is developed for nonlinear analysis for soil-pile-structure interaction system in time domain. Finite elements considering material nonlinearity are used for the near field and boundary elements for the far field. In the near field, frame elements are used for modeling a pile and plane-strain elements for surrounding soil and superstructure. In. the far field, boundary element formulation using the dynamic fundamental solution is adopted and coupled with the near field. Transformation of stiffness matrices of boundary elements into time domain is performed by inverse FFT. Stiffness matrices in the near field and far field are coupled. Newmark direct time integration method is applied. Developed soil-pile-structure interaction analysis method is verified with available literature and commercial code. Also, parametric studies by developed numerical method are performed. And seismic response analysis is performed using actual earthquake records.
The standard penetration test (SPT) obtaining the N value of the number of blows has been widely used in various subsurface conditions, including in weathered soil and rock on fresh bedrock, in geotechnical studies pertaining to the design of foundations and earth structures. This study examined the applicability of SPTs terminated conventionally after 50 blows for a penetration of less than 30 cm, particularly in weathered strata, at four sites in Korea. The N values obtained during practical SPTs are typically extrapolated linearly at 30 cm penetration, despite the possibility of a nonlinear relationship between blow counts and penetration. Such nonlinearity in weathered strata has been verified by performing special SPTs ensuring 30 cm penetration. To quantify the nonlinearity in dense strata, we conducted statistical regression analyses comparing the differences (DN) between the N values measured by the special SPTs and those extrapolated using the practical approach with the differences (DP) between the 30 cm penetration and the penetration during 50 blows. Bi-linear relationship models between DN and DP were subsequently proposed for determining the N values at 30 cm penetration in weathered strata. The N values reflecting nonlinearity could be determined from the linearly extrapolated N values by adding a modeled DN value.
A proper physical modeling of infilled building frame-foundation beam-soil mass interaction system is needed to predict more realistic and accurate structural behavior under static vertical loading. This is achieved via finite element method considering the superstructure, foundation and soil mass as a single integral compatible structural unit. The physical modelling is achieved via use of finite element method, which requires the use of variety of isoparametric elements with different degrees of freedom. The unbounded domain of the soil mass has been discretized with coupled finite-infinite elements to achieve computational economy. The nonlinearity of soil mass plays an important role in the redistribution of forces in the superstructure. The nonlinear behaviour of the soil mass is modeled using hyperbolic model. The incremental-iterative nonlinear solution algorithm has been adopted for carrying out the nonlinear elastic interaction analysis of a two-bay two-storey infilled building frame. The frame and the infill have been considered to behave in linear elastic manner, whereas the subsoil in nonlinear elastic manner. In this paper, the computational methodology adopted for nonlinear soil-structure interaction analysis of infilled frame-foundation-soil system has been presented.
Lee, Hyeok Ju;Lim, Jae Sung;Moon, Il Hwan;Kim, Jae Min
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.27
no.1
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pp.25-35
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2023
Considering the non-linear behavior of structure and soil when evaluating a nuclear power plant's seismic safety under a beyond-design basis earthquake is essential. In order to obtain the nonlinear response of a nuclear power plant structure, a time-domain SSI analysis method that considers the nonlinearity of soil and structure and the nonlinear Soil-Structure Interaction (SSI) effect is necessary. The Boundary Reaction Method (BRM) is a time-domain SSI analysis method. The BRM can be applied effectively with a Perfectly Matched Layer (PML), which is an effective energy absorbing boundary condition. The BRM has a characteristic that the magnitude of the response in far-field soil increases as the boundary interface of the effective seismic load moves outward. In addition, the PML has poor absorption performance of low-frequency waves. For this reason, the accuracy of the low-frequency response may be degraded when analyzing the combination of the BRM and the PML. In this study, the accuracy of the analysis response was improved by adjusting the PML input parameters to improve this problem. The accuracy of the response was evaluated by using the analysis response using KIESSI-3D, a frequency domain SSI analysis program, as a reference solution. As a result of the analysis applying the optimal PML parameter, the average error rate of the acceleration response spectrum for 9 degrees of freedom of the structure was 3.40%, which was highly similar to the reference result. In addition, time-domain nonlinear SSI analysis was performed with the soil's nonlinearity to show this study's applicability. As a result of nonlinear SSI analysis, plastic deformation was concentrated in the soil around the foundation. The analysis results found that the analysis method combining BRM and PML can be effectively applied to the seismic response analysis of nuclear power plant structures.
The building frame and its foundation along with the soil on which it rests, together constitute a complete structural system. In the conventional analysis, a structure is analysed as an independent frame assuming unyielding supports and the interactive response of soil-foundation is disregarded. This kind of analysis does not provide realistic behaviour and sometimes may cause failure of the structure. Also, the conventional analysis considers infill wall as non-structural elements and ignores its interaction with the bounding frame. In fact, the infill wall provides lateral stiffness and thus plays vital role in resisting the seismic forces. Thus, it is essential to consider its effect especially in case of high rise buildings. In the present research work the building frame, infill wall, isolated column footings (open foundation) and soil mass are considered to act as a single integral compatible structural unit to predict the nonlinear interaction behaviour of the composite system under seismic forces. The coupled isoparametric finite-infinite elements have been used for modelling of the interaction system. The material of the frame, infill and column footings has been assumed to follow perfectly linear elastic relationship whereas the well known hyperbolic soil model is used to account for the nonlinearity of the soil mass.
Model Order Reduction (MOR) denotes the theory by which one tries to catch a model of order lower than that of the real model. This is conveniently pursued in view of the design of an efficient structural control scheme, just passive within this paper. When the nonlinear response of the reference structural system affects the nature of the reduced model, making it dependent on the visited subset of the input-output space, standard MOR techniques do not apply. The mathematical theory offers some specific alternatives, which however involve a degree of sophistication unjustified in the presence of a few localized nonlinearities. This paper suggests applying standard MOR to the linear parts of the structural system, the interface remaining the original unreduced nonlinear components. A case study focused on the effects of a helicopter land crash is used to exemplify the proposal.
OBJECTIVES : The objective of this study is to analyze the nonlinear behavior of block pavements using multi-load level falling weight deflectometer (FWD) deflections. METHODS : Recently, block pavements are employed not only in sidewalks, but also in roadways. For the application of block pavements in roadways, the structural capacities of subbase and subgrade are important factors that support the carry traffic load. Multi-load level FWD testing was conducted on block pavements to analyze their nonlinear behavior. The deflection ratio due to the increase in load was analyzed to estimate the nonlinearity of block pavements. Finite element method with nonlinear soil model was applied to simulate the actual nonlinear behavior of the block pavement under different levels of load. RESULTS : The results of the FWD testing show that the center deflections in block pavements are approximately ten times greater than that in asphalt pavements. The deflection ratios of the block pavement due to the increase in the load range from 1.2 to 1.5, indicating that the deflection increased by 20~50%. The material coefficients of the nonlinear soil model were determined by comparing the measured deflections with the predicted deflections using the finite element method. CONCLUSIONS : In this study, the nonlinear behavior of block pavements was reviewed using multi-load level FWD testing. The deflection ratio proposed in this study can estimate the nonlinearity of block pavements. The use of nonlinear soil model in subbase and subgrade increases the accuracy of predicting deflections in finite element method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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