Dalili S., Mohammad;Huat, B.B.K.;Jaafar, M.S.;Alkarni, A.
Interaction and multiscale mechanics
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v.6
no.1
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pp.51-81
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2013
A wide literature review on Static Soil-Structure-Interaction (SSI) is done to highlight the key impacts of soil complexity on structural members of framed structures. Attention is paid to the developed approaches, i.e., conventional and Finite Element Method (FEM), to emphasize on deficiencies and merits of the proposed methods according to their applicability, accuracy and power to model and idealization of the superstructures as well as the soil continuum. Proposed hypothesis are much deeply discussed herein for better understanding which is normally neglected in literature review papers due to the large number of references and limit of space.
Seismic base isolation has been accepted as one of the most popular design procedures to protect important structures against earthquakes. However, due to lack of information and experimental data the application of base isolation is quite limited to nuclear power plant (NPP) industry. Moreover, the effects of inelastic behavior of soil beneath base-isolated NPP have raised questions to the effectiveness of isolation device. This study applies the wavelet analysis to investigate the effects of soil-structure interaction (SSI) on the seismic response of a base-isolated NPP structure. To evaluate the SSI effects, the NPP structure is modelled as a lumped mass stick model and combined with a soil model using the concept of cone models. The lead rubber bearing (LRB) base isolator is used to adopt the base isolation system. The shear wave velocity of soil is varied to reflect the real rock site conditions of structure. The comparison between seismic performance of isolated structure and non-isolated structure has drawn. The results show that the wavelet analysis proves to be an efficient tool to evaluate the SSI effects on the seismic response of base-isolated structure and the seismic performance of base-isolated NPP is not sensitive to the effects in this case.
The effect of soil-structure interaction on a single-storey, two-bay space frame resting on a pile group embedded in the cohesive soil (clay) with flexible cap is examined in this paper. For this purpose, a more rational approach is resorted to using the finite element analysis with realistic assumptions. Initially, a 3-D FEA is carried out independently for the frame on the premise of fixed column bases in which members of the superstructure are discretized using the 20-node isoparametric continuum elements. Later, a model is worked out separately for the pile foundation, by using the beam elements, plate elements and spring elements to model the pile, pile cap and soil, respectively. The stiffness obtained for the foundation is used in the interaction analysis of the frame to quantify the effect of soil-structure interaction on the response of the superstructure. In the parametric study using the substructure approach (uncoupled analysis), the effects of pile spacing, pile configuration, and pile diameter of the pile group on the response of superstructure are evaluated. The responses of the superstructure considered include the displacement at top of the frame and moments in the columns. The effect of soil-structure interaction is found to be quite significant for the type of foundation considered in the study. Fair agreement is observed between the results obtained herein using the simplified models for the pile foundation and those existing in the literature based on a complete three dimensional analysis of the building frame - pile foundation - soil system.
The most important features of linear soil-foundation-structure interaction are reviewed, using stochastic modeling and considering kinematic interaction, inertial interaction, and structural distortion as three separate stages of the dynamic response to the free-field motion. The way in which each of the three dynamic stages modifies the spectral density of the motion is studied, with the emphasis being on interpretation of these results, rather than on the development of new analysis techniques. Structural distortion and inertial interaction analysis are shown to be precisely modeled as linear filtering operations. Kinematic interaction, though, is more complicated, even though it has a filter-like effect on the frequency content of the motion.
The recent huge earthquake ground motion records in Japan result in the reconsideration of seismic design forces for nuclear power stations from the view point of seismological research. In addition, the seismic design force should be defined also from the view point of structural engineering. In this paper it is shown that one of the occurrence mechanisms of such large acceleration in recent seismic records (recorded in or near massive structures and not free-field ground motions) is due to the interaction between a massive building and its surrounding soil which induces amplification of local mode in the surface soil. Furthermore on-site investigation after earthquakes in the nuclear power stations reveals some damages of soil around the building (cracks, settlement and sand boiling). The influence of plastic behavior of soil is investigated in the context of interaction between the structure and the surrounding soil. Moreover the amplification property of the surface soil is investigated from the seismic records of the Suruga-gulf earthquake in 2009 and the 2011 off the Pacific coast of Tohoku earthquake in 2011. Two methods are introduced for the analysis of the non-stationary process of ground motions. It is shown that the non-stationary Fourier spectra can detect the temporal change of frequency contents of ground motions and the displacement profile integrated from its acceleration profile is useful to evaluate the seismic behavior of the building and the surrounding soil.
This paper investigates the dynamic response of structures during earthquakes and provides a clear understanding of soil-structure interaction phenomena. It analyses various parameters, comprising ground shear wave velocity and structure properties. The effect of soil impedance function form on the structural response of the system through the use of springs and dashpots with two frequency cases: independent and dependent frequencies. The superstructure and the ground were modeled linearly. Using the substructure method, two different approaches are used in this study. The first is an analytical formulation based on the dynamic equilibrium of the soil-structure system modeled by an analog model with three degrees of freedom. The second is a numerical analysis generated with 2D finite element modeling using ABAQUS software. The superstructure is represented as a SDOF system in all the SSI models assessed. This analysis establishes the key parameters affecting the soil-structure interaction and their effects. The different results obtained from the analysis are compared for each studied case (frequency-independent and frequency-dependent impedance functions). The achieved results confirm the sensitivity of buildings to soil-structure interaction and highlight the various factors and effects, such as soil and structure properties, specifically the shear wave velocity, the height and mass of the structure. Excitation frequency, and the foundation anchoring height, also has a significant impact on the fundamental parameters and the response of the coupled system at the same time. On the other hand, it have been demonstrated that the impedance function forms play a critical role in the accurate evaluation of structural behavior during seismic excitation. As a result, the evaluation of SSI effects on structural response must take into account the dynamic properties of the structure and soil accordingly.
The effect of soil structure interaction (SSI) on seismic response of a multi-degree-of-freedom structure isolated with a friction pendulum system (FPS) is studied. In the analysis, the soil is considered as an elastic continuum and is modeled using the finite element method. The effect of SSI on response of the structure is evaluated for twenty far-field and twenty near-fault earthquake ground motions. The effect of friction coefficient of sliding material of FPS on SSI is also studied. The results of the study show that the seismic response of the structure increases for majority of the earthquake ground motions due to SSI. The sliding displacement and base shear are underestimated if SSI effects are ignored in the seismic analysis of structures isolated with FPS.
The effectiveness of fluid viscous dampers (FVDs) on dynamic response mitigation of coupled two adjacent structures was investigated, considering soil-structure interaction (SSI) effects under earthquake excitation. A numerical procedure was employed to evaluate system response. The finite elements were used for the numerical treatment of the adjacent buildings and soil region. Viscous boundary conditions were used as special non-reflecting boundaries on the edges of finite soil region. According to the results, the FVDs were found to be very effective for dynamic response mitigation of the adjacent buildings, even if considering the soil medium. The results showed that the most affecting parameter on the system response was found to be soil type. It was also concluded that when adjacent structures coupled by FVDs, the maximum values of the roof displacements, the base shear forces, and the base bending moments could decrease up to around 50%. Changing in lateral stiffness of the one building has minor effects on the effectiveness of viscous dampers.
The importance of considering soil-structure interaction effect in the analysis and design of RC frame buildings is increasingly recognized but still not penetrated to the grass root level owing to various complexities involved. It is well established fact that the soil-structure interaction effect considerably influence the design of multi-storey buildings subjected to lateral seismic loads. The shear walls are often provided in such buildings to increase the lateral stability to resist seismic lateral loads. In the present work, the linear soil-structure analysis of a G+5 storey RC shear wall building frame resting on isolated column footings and supported by deformable soil is presented. The finite element modelling and analysis is carried out using ANSYS software under normal loads as well as under seismic loads. Various load combinations are considered as per IS-1893 (Part-1):2002. The interaction analysis is carried out with and without shear wall to investigate the effect of inclusion of shear wall on the total and differential settlements in the footings due to deformations in the soil mass. The frame and soil mass both are considered to behave in linear elastic manner. It is observed that the soil-structure interaction effect causes significant total and differential settlements in the footings. Maximum total settlement in footings occurs under vertical loads and inner footings settle more than outer footings creating a saucer shaped settlement profile of the footings. Each combination of seismic loads causes maximum differential settlement in one or more footings. Presence of shear wall decreases pulling/pushing effect of seismic forces on footings resulting in more stability to the structures.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2008.04a
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pp.14-19
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2008
This paper presents dynamic infinite element formulations which have been developed for soil-structure interaction analysis both in frequency and in time domains by the present authors during the past twenty years. Axisymmetric, 2D and 3D layered half-space soil media were considered in the developments. The displacement shape functions of the infinite elements were established using approximate expressions of analytical solutions in frequency domain to represent the characteristics of multiple waves propagating into the unbounded outer domain of the media. The proposed infinite elements were verified using benchmark examples, which showed that the present formulations are very effective for the soil-structure interaction analysis either in frequency or in time domain. Example applications to actual interaction problems are also given to demonstrate the capability and versatility of the present methodology.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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