A novel flexibility-based beam-foundation model for inelastic analyses of beams resting on foundation is presented in this paper. To model the deformability of supporting foundation media, the Winkler-Pasternak foundation model is adopted. Following the derivation of basic equations of the problem (strong form), the flexibility-based finite beam-foundation element (weak form) is formulated within the framework of the matrix virtual force principle. Through equilibrated force shape functions, the internal force fields are related to the element force degrees of freedom. Tonti's diagrams are adopted to present both strong and weak forms of the problem. Three numerical simulations are employed to assess validity and to show effectiveness of the proposed flexibility-based beam-foundation model. The first two simulations focus on elastic beam-foundation systems while the last simulation emphasizes on an inelastic beam-foundation system. The influences of the adopted foundation model to represent the underlying foundation medium are also discussed.
Shi, Jiangwei;Wang, Jinpu;Ji, Xiaojia;Liu, Huaqiang;Lu, Hu
Geomechanics and Engineering
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v.30
no.4
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pp.383-392
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2022
Although pipelines are composed of segmental tubes commonly connected by rubber gasket or push-in joints, current studies mainly simplified pipelines as continuous structures. Effects of joints on three-dimensional deformation mechanisms of existing pipelines due to tunnel excavation are not fully understood. By conducting three-dimensional numerical analyses, effects of pipeline burial depth, tunnel burial depth, volume loss, pipeline stiffness and joint stiffness on bending strain and joint rotation of existing pipelines are explored. By increasing pipeline burial depth or decreasing tunnel cover depth, tunneling-induced pipeline deformations are substantially increased. As tunnel volume loss varies from 0.5% to 3%, the maximum bending strains and joint rotation angles of discontinuous pipelines increase by 1.08 and 9.20 times, respectively. By increasing flexural stiffness of pipe segment, a dramatic increase in the maximum joint rotation angles is observed in discontinuous pipelines. Thus, the safety of existing discontinuous pipelines due to tunnel excavation is controlled by joint rotation rather than bending strain. By increasing joint stiffness ratio from 0.0 (i.e., completely flexible joints) to 1.0 (i.e., continuous pipelines), tunneling-induced maximum pipeline settlements decrease by 22.8%-34.7%. If a jointed pipeline is simplified as a continuous structure, tunneling-induced settlement is thus underestimated, but bending strain is grossly overestimated. Thus, joints should be directly simulated in the analysis of tunnel-soil-pipeline interaction.
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.
Offshore wind turbines are supported by various foundations, each with its considerations in design and construction. Gravity, monopile, and suction bucket foundations encounter geotechnical issues, while jacket and tripod foundations face fatigue problems. Considering this, a gravity foundation based on a steel skirt was developed, and a monopile foundation was analyzed for Pile-Soil Interaction using the p-y curve and 3D finite element method (3D FEM). In addition, for suction bucket foundations, the effects of lateral and vertical loads were analyzed using 3D FEM and centrifuge tests. Fatigue analysis for jacket and tripod foundations was conducted using a hotspot stress approach. Some hybrid foundations and shape optimization techniques that change the shape to complement the problems of each foundation described above were assessed. Hybrid foundations could increase lateral resistance compared to existing foundations because of the combined appendages, and optimization techniques could reduce costs by maximizing the efficiency of the structure or by reducing costs and weight. This paper presents the characteristics and research directions of the foundation through various studies on the foundation. In addition, the optimal design method is presented by explaining the problems of the foundation and suggesting ways to supplement them.
The presence of excavations or cavities beneath the foundations of a building can have a significant impact on their stability and cause extensive damage. Traditional methods for calculating the bearing capacity and subsidence of foundations over cavities can be complex and time-consuming, particularly when dealing with conditions that vary. In such situations, machine learning (ML) and deep learning (DL) techniques provide effective alternatives. This study concentrates on constructing a prediction model based on the performance of ML and DL algorithms that can be applied in real-world settings. The efficacy of eight algorithms, including Regression Analysis, k-Nearest Neighbor, Decision Tree, Random Forest, Multivariate Regression Spline, Artificial Neural Network, and Deep Neural Network, was evaluated. Using a Python-assisted automation technique integrated with the PLAXIS 2D platform, a dataset containing 272 cases with eight input parameters and one target variable was generated. In general, the DL model performed better than the ML models, and all models, except the regression models, attained outstanding results with an R2 greater than 0.90. These models can also be used as surrogate models in reliability analysis to evaluate failure risks and probabilities.
Seismic movements have varying effects on structures based on characteristics of local site. During an earthquake, weak soils are susceptible to damage due to amplified wave amplitudes. Soil-structure interaction issue has garnered increased attention in Türkiye, after devastating earthquakes in Kocaeli Gölcük (1999), Izmir (2020), Kahramanmaraş Pazarcık and Elbistan (2023). Consequently, liquefaction potential has been investigated in detail for different regions of Türkiye, mainly with available field test results. Çankırı, a city located close to North Anatolian Fault, is mainly built on alluvium, which is prone to liquefaction. However, no study on liquefaction hazard has been conducted thus far. In this study, groundwater level map, SPT map, and liquefaction risk map have been generated using Geographical Information System (GIS) for the Buğday Pazarı District of Çankırı province. Site investigations studies previously performed for 47 parcels (76 boreholes) were used within the scope of this study. The liquefaction assessment was conducted using Seed and Idriss's (1971) simplified method and the visualization of areas susceptible to liquefaction risk has been accomplished. The results of this study have been compared with the City Council's precautionary map which is currently in use. As a result of this study, it is recommended that minimum depth of boreholes in the region should be at least 30m and adequate number of laboratory tests particularly in liquefiable areas should be performed. Another important recommendation for the region is that detailed investigation should be performed by local authorities since findings of this study differ from currently used precautionary map.
Kim, Jung-Tae;Hong, Eun-Soo;Kang, Seok-Jun;Cho, Gye-Chun
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.21
no.6
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pp.861-874
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2019
A great interest in the seismic performance evaluation of small size tunnel structures such as utility tunnel has been taken since recent earthquakes at Pohang and Gyeongju in Korea. In this study, the three-dimensional dynamic analyses of vertical shaft and horizontal tunnel under seismic load were carried out using FLAC3D. Especially, parametric analyses was performed to investigate the effects of interfacial stiffness on interfacial behavior between soil and structure. The parametric analysis showed that the interfacial stiffness scarcely gave an effect on the global dynamic behavior of the structure, while had a significant effect on the local displacement behavior of the connections. The magnitude of the interfacial stiffness was inversely proportional to the displacement, while the magnitude of interface stiffness was proportional to the normal and shear stresses. The results of this study suggest the limitations of the existing empirical equations for interfacial stiffness and emphasize the need to develop new interfacial stiffness models.
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.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.14
no.5
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pp.529-545
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2012
Three-dimensional (3D) finite element analyses have been performed to study the behaviour of a single pile to open face tunnelling in stiff clay. Several key factors such as tunnelling-induced ground and pile settlement, and shear transfer mechanism have been studied in detail. Tunnelling resulted in the development of pile settlement larger than the Greenfield soil surface settlement. In addition, due to changes in the shear transfer between the pile and the soil next to the pile with tunnel advancement, axial force distributions along the pile change drastically. The apparent allowable pile capacity was reduced up to about 30% due to the development of tunnelling-induced pile head settlement. The skin friction on the pile was increased with tunnel advancement associated with the changes of soil stresses and ground deformation and hence axial pile force distribution was reduced. Maximum tunnelling-induced tensile force on the pile was about 21% of the designed pile capacity. The zone of influence on the pile behaviour in the longitudinal direction may be identified as ${\pm}1$-2D (D: tunnel diameter) from the pile centre (behind and ahead of the pile axis in the longitudinal direction) based on the analysis conditions assumed in the current study. Negative excess pore pressure was mobilised near the pile tip, while positive excess pore pressure was computed at the upper part of the pile. It has been found that the serviceability of a pile experiencing adjacent tunnelling is more affected by pile settlement than axial pile force changes.
The metallic shell of soil-steel structures are so weak in bending moment that it should sustain the applied load by the interaction of the backfill soil around the structures. The shell can be subjected to excessive bending moment during side backfilling or under live-load when the soil cover is less than the minimum value. The current design code specifies the allowable deformation and Duncan(1979) and McGrath et al.(2001) suggested the strength analysis methods to limit the moments by the plastic capacity of the shell. However, the allowable deformation is an empirically determined value and the strength analysis methods are based on the results of FE analysis, hence the experimental verification is necessary. In this study, the full-scale tests were conducted on the high-profile arch to investigate its behaviors during backfilling and under static live-loads. Based on the measurements, the allowable deformation of the tested structure could be estimated to be 1.45% of rise, which is smaller than the specified allowable deformation. The comparison between the measurements and the results of two strength analyses indicate that Duncan underestimates the earth-load moment and overestimates the live-load moment, while McGrath et al. predicts both values close to the actual values. However, as the predicted factors of safeties using two methods coincide with the actual factor of safety, it can be concluded that both methods can predict the structural stability under live-loads adequately when the cover is less than the minimum.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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