Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.29
no.2
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pp.39-52
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1987
This study was to investigate the effects of soil-structure relative stiffness on the structural characteristics of the cylindrical tank supported by soil. A standard example model of the farm silo rested on the Winkler's subsoil model was used for the analysis of soil-structure coupled system. In this paper, Winkler's constants 4,15 and l00kg/cm$^2$/cm were considered and the bottom plate thicknesses of the farm silo 20, 30, 50,100 and 150cm were adopted. For the given model the effects of bottom plate thickness were the most conspicuous at weakest Winkler's constant 4kg/ cm$^2$/cm. While when Winkler's constant is l00kg/cm$^2$/cm, the effect of the bottom plate thickness is almost negligible. On the other hand, when the bottom plate thickness is more than 100cm, the effects of elastic foundation were aknost disappeared. In design practice, it is hoped that the thicknesses of bottom plate should be determined reasonably because of it's considerable effect on the structural characteristics as the lOOcm thickness of bottom plate will not be practical value in usual sites.
Kim, Dong Kwan;Kim, Ho Soo;Min, Ji Hee;Park, Jin Young
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.28
no.4
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pp.165-170
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2024
This study investigated the impact of soil-structure interaction on multi-degree-of-freedom structures using the shallow-foundation Winkler model, known as the BNWF model. The model's period was determined through eigenvalue analysis and compared to results obtained from FEMA's formula. Results indicated that considering the soil, the structure's period increased by up to 8.7% compared to the fixed-base model, aligning with FEMA's calculations. Furthermore, with adequate ground acceleration, roof displacement increased by 3.4% to 3.8%, while base shear decreased by 4% to 10%. However, roof displacement and base shear increased in some earthquake scenarios due to spectral shape effects in regions with extended structural periods. Foundation damping effects, determined through the foundation's moment-rotation history, grew with higher ground acceleration. This suggests that accounting for period elongation and foundation damping can enhance the seismic design of multi-degree-of-freedom structures.
In this study, the earthquake response of building structures with foundation uplift was investigated. The Winkler foundation model and two-spring model are widely used to represent the interaction between foundation mat and soil. While the analysis using the Winkler foundation model results in more accurate prediction, it requires a complex procedure and longer computation time. In this study, an equivalent two-spring model(S model) is proposed. The S model can represent the Winkler foundation model more accurately and the analysis using the S model is simpler and more effective. The S model is derived by simplifying the nonlinear moment-rotation relationship of foundation mat. The dynamic responses predicted by the S model gave a good agreement to those of the Winkler foundation model.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1995.04a
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pp.53-56
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1995
Despite the recent development of structural analysis programs for the CRCP pavements over Westergaard's equations and finite element techniques, the Winkler foundations which are modelled by series of vertical springs at the nodes are generally used for the computer modelling of subbases under the concrete slab. Herewith, two parameter of soil foundation model is adopted as the most convenient mathematical model to enable deflections outside the loaded area to be effected and to upgrade the Winkler foundations. This paper highlights the derivations of finite element method for the two-parameter soil foundation model in the concrete pavements.
This paper studies soil properties uncertainty and its implementation in the seismic response evaluation of structures. For this, response sensitivity of two 4- and 12-story RC shear walls to the soil properties uncertainty by considering soil structure interaction (SSI) effects is investigated. Beam on Nonlinear Winkler Foundation (BNWF) model is used for shallow foundation modeling and the uncertainty of soil properties is expanded to the foundation stiffness and strength parameters variability. Monte Carlo (MC) simulation technique is employed for probabilistic evaluations. By investigating the probabilistic evaluation results it's observed that as the soil and foundation become stiffer, the soil uncertainty is found to be less important in influencing the response variability. On the other hand, the soil uncertainty becomes more important as the foundation-structure system is expected to experience nonlinear behavior to more sever degree. Since full This paper studies soil properties uncertainty and its implementation in the seismic response evaluation of structures. For this, response sensitivity of two 4- and 12-story RC shear walls to the soil properties uncertainty by considering soil structure interaction (SSI) effects is investigated. Beam on Nonlinear Winkler Foundation (BNWF) model is used for shallow foundation modeling and the uncertainty of soil properties is expanded to the foundation stiffness and strength parameters variability. Monte Carlo (MC) simulation technique is employed for probabilistic evaluations. By investigating the probabilistic evaluation results it's observed that as the soil and foundation become stiffer, the soil uncertainty is found to be less important in influencing the response variability. On the other hand, the soil uncertainty becomes more important as the foundation-structure system is expected to experience nonlinear behavior to more sever degree. Since full probabilistic analysis methods like MC commonly are very time consuming, the feasibility of simple approximate methods' application including First Order Second Moment (FOSM) method and ASCE41 proposed approach for the soil uncertainty considerations is investigated. By comparing the results of the approximate methods with the results obtained from MC, it's observed that the results of both FOSM and ASCE41 methods are in good agreement with the results of MC simulation technique and they show acceptable accuracy in predicting the response variability.
This paper proposes a novel frame element on Winkler-Pasternak foundation for analysis of a non-ductile reinforced concrete (RC) member resting on foundation. These structural members represent flexural-shear critical members, which are commonly found in existing buildings designed and constructed with the old seismic design standards (inadequately detailed transverse reinforcement). As a result, these structures always experience shear failure or flexure-shear failure under seismic loading. To predict the characteristics of these non-ductile structures, efficient numerical models are required. Therefore, the novel frame element on Winkler-Pasternak foundation with inclusion of the shear-flexure interaction effect is developed in this study. The proposed model is derived within the framework of a displacement-based formulation and fiber section model under Timoshenko beam theory. Uniaxial nonlinear material constitutive models are employed to represent the characteristics of non-ductile RC frame and the underlying foundation. The shear-flexure interaction effect is expressed within the shear constitutive model based on the UCSD shear-strength model as demonstrated in this paper. From several features of the presented model, the proposed model is simple but able to capture several salient characteristics of the non-ductile RC frame resting on foundation, such as failure behavior, soil-structure interaction, and shear-flexure interaction. This confirms through two numerical simulations.
With recent growing interests in the Performance-Based Seismic Design and Assessment Methodology, more realistic modeling of a structural system is deemed essential in analyzing, designing, and evaluating both newly constructed and existing buildings under seismic events. Consequently, a shallow foundation element becomes an essential constituent in the implementation of this seismic design and assessment methodology. In this paper, a contact interface fiber section element is presented for use in modeling soil-shallow foundation systems. The assumption of a rigid footing on a Winkler-based soil rests simply on the Euler-Bernoulli's hypothesis on sectional kinematics. Fiber section discretization is employed to represent the contact interface sectional response. The hyperbolic function provides an adequate means of representing the stress-deformation behavior of each soil fiber. The element is simple but efficient in representing salient features of the soil-shallow foundation system (sliding, settling, and rocking). Two experimental results from centrifuge-scale and full-scale cyclic loading tests on shallow foundations are used to illustrate the model characteristics and verify the accuracy of the model. Based on this comprehensive model validation, it is observed that the model performs quite satisfactorily. It resembles reasonably well the experimental results in terms of moment, shear, settlement, and rotation demands. The hysteretic behavior of moment-rotation responses and the rotation-settlement feature are also captured well by the model.
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.
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.
In practice, analysis of laterally loaded piles is carried out using beams on non-linear Winkler springs model (often known as p-y method) due to its simplicity, low computational cost and the ability to model layered soils. In this approach, soil-pile interaction along the depth is characterized by a set of discrete non-linear springs represented by p-y curves where p is the pressure on the soil that causes a relative deformation of y. p-y curves are usually constructed based on semi-empirical correlations. In order to construct API/DNV proposed p-y curve for clay, one needs two values from the monotonic stress-strain test results i.e., undrained strength ($s_u$) and the strain at 50% yield stress (${\varepsilon}_{50}$). This approach may ignore various features for a particular soil which may lead to un-conservative or over-conservative design as not all the data points in the stress-strain relation are used. However, with the increasing ability to simulate soil-structure interaction problems using highly developed computers, the trend has shifted towards a more theoretically sound basis. In this paper, principles of Mobilized Strength Design (MSD) concept is used to construct a continuous p-y curves from experimentally obtained stress-strain relationship of the soil. In the method, the stress-strain graph is scaled by two coefficient $N_C$ (for stress) and $M_C$ (for strain) to obtain the p-y curves. $M_C$ and $N_C$ are derived based on Semi-Analytical Finite Element approach exploiting the axial symmetry where a pile is modelled as a series of embedded discs. An example is considered to show the application of the methodology.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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