The primary objective of the current study is to optimize and evaluate the seismic performance of steel momentresisting frame (MRF) structures considering soil-structure interaction (SSI) effects. The structural optimization is implemented in the context of performance-based design in accordance with FEMA-350 at different confidence levels from 50% to 90% by taking into account fixed- and flexible-base conditions using an efficient metaheuristic algorithm. Nonlinear response-history analysis (NRHA) is conducted to evaluate the seismic response of structures, and the beam-on-nonlinear Winkler foundation (BNWF) model is used to simulate the soil-foundation interaction under the MRFs. The seismic performance of optimally designed fixed- and flexible-base steel MRFs are compared in terms of overall damage index, seismic collapse safety, and interstory drift ratios at different performance levels. Two illustrative examples of 6- and 12-story steel MRFs are presented. The results show that the consideration of SSI in the optimization process of 6- and 12-story steel MRFs results in an increase of 1.0 to 9.0 % and 0.5 to 5.0 % in structural weight and a slight decrease in structural seismic safety at different confidence levels.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.32
no.6
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pp.367-374
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2019
We investigate the effect of soil-structure interaction (SSI) on the response of LNG storage tanks to vertical seismic excitation depending on the type of foundation. An LNG storage tank with a diameter of 71 m on a clay layer with a thickness of 30 m upon bedrock, was selected as an example. The nonlinear behavior of the soil was considered in an equivalent linear method. Four types of foundation were considered, including shallow, piled raft, and pile foundations (surface and floating types). In addition, the effect of soil compaction within the group pile on the seismic response of the tank was investigated. KIESSI-3D, an analysis package in the frequency domain, was used to study the SSI and the stress in the outer tank was calculated. Based on an analysis of the numerical results, we arrived at three main conclusions: (1) for a shallow foundation, the vertical stress in the outer tank is less than the fixed base response due to the SSI effect; (2) for foundations supported by piles, the vertical stress can be greater than the fixed base stress due to the increase in the vertical impedance due to the piles and the decrease in radiation damping; and (3) soil compaction had a miniscule impact on the seismic response of the outer tank.
When the centers of mass and stiffness of a building do not coincide, the structure experiences torsional responses. Such systems can consist of the underlying soil and the super-structure. The underlying soil may modify the earthquake input motion and change structural responses. Specific effects of the input motion shall also not be ignored. In this study, seismic demands of asymmetric buildings considering soil-structure interaction (SSI) under near-fault ground motions are evaluated. The building is modeled as an idealized single-story structure. The soil beneath the building is modeled by non-linear finite elements in the two states of loose and dense sands both compared with the fixed-base state. The infinite boundary conditions are modelled using viscous boundary elements. The effects of traditional and yield displacement-based (YDB) approaches of strength and stiffness distributions are considered on seismic demands. In the YDB approach, the stiffness considered in seismic design depends on the strength. The results show that the decrease in the base shear considering soft soil induced SSI when the YDB approach is assumed results only in the center of rigidity to control torsional responses. However, for fixed-base structures and those on dense soils both centers of strength and rigidity are controlling.
The paper focuses on the seismic responses of a hyperbolic cooling tower resting on soil foundation represented by the three-parameter Vlasov elastic soil model. The three-parameter soil model eliminates the necessity of field testing to determine soil parameters such as reaction modulus and shear parameter. These parameters are calculated using an iterative procedure depending on the soil surface vertical deformation profile in the model. The soil and tower system are modeled in SAP2000 structural analysis program using a computing tool coded in MATLAB. The tool provides a two-way data transfer between SAP2000 and MATLAB with the help of Open Application Programming Interface (OAPI) feature of SAP2000. The response spectrum analyses of the tower system with circular V-shaped supporting columns and annular raft foundation on elastic soil are conducted thanks to the coded tool. The shell and column forces and displacements are presented for different soil conditions and fixed raft base condition to investigate the effects of soil-structure interaction. Numerical results indicate that the flexibility of soil foundation leads to an increase in displacements but a decrease in shell membrane and column forces. Therefore, it can be stated that the consideration of soil-structure interaction in the seismic response analysis of the cooling tower system provides an economical design process.
Kim, Dong-Kwan;Park, Hong-Gun;Kim, Dong-Soo;Lee, Sei-Hyun
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2010.09a
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pp.201-204
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2010
Earthquake load to design a structure has been calculated from a fixed base SDOF model using amplified surface accelerations along soft soil layers. But the method dose not consider a soil-structure interaction. Centrifugal experiments that were consisted of soil, a shallow foundation and a structure were performed to find the effects of soil-structure interaction. The experiments showed that mass and stiffness of the foundation affected a response of the structure and nonlinear behavior of soil near the foundation. And a rocking displacement caused by overturning moment affected the response and increases a damping effect. In this study, the centrifugal experiment was simulated as a two dimensional finite element model. The finite element model was used for nonlinear time domain analysis of the OpenSees program. The numerical model accurately evaluated the behaviors of soil and the foundation, but the rocking effect and the behavior of structure were not described.
In this paper,soil-structure interaction effects on the seismic response of multistory frame structure on raft foundation are numerically analyzed. The foundation soil profile is assumed to consists of a clay layer of variable thicknessresting on bedrock. Amodified plane-strain numerical model isformed in the software Plaxis, and both free vibration analysis, and earthquake analysis for a selected ground motion accelerogram are performed. The behavior of the structure is assumed to be linear elastic with Rayleigh viscous damping included. The behavior of the clay layer is modeled with a Hardening soil model with small strain stiffness. The computed results in terms of fundamental period and structural horizontal displacementsfor the case of fixed base and for different thicknesses of clay layer are presented, compared, and discussed.
Iman Hakamian;Kianoosh Taghikhani;Navid Manouchehri;Mohammad Mahdi Memarpour
Earthquakes and Structures
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v.25
no.2
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pp.99-112
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2023
This paper investigates the influences of Soil-Structure Interaction (SSI) on the seismic behavior of two-dimensional reinforced concrete moment-resisting frames subjected to Far-Field Ground Motion (FFGM) and Near-Field Ground Motion (NFGM). For this purpose, the nonlinear modeling of 7, 10, and 15-story reinforced concrete moment resisting frames were developed in Open Systems for Earthquake Engineering Simulation (OpenSees) software. Effects of SSI were studied by simulating Beam on Nonlinear Winkler Foundation (BNWF) and the soil type as homogenous medium-dense. Generally, the building resistance to seismic loads can be explained in terms of Incremental Dynamic Analysis (IDA); therefore, IDA curves are presented in this study. For comparison, the fragility evaluation is subjected to NFGM and FFGM as proposed by Quantification of Building Seismic Performance Factors (FEMA P-695). The seismic performance of Reinforced Concrete (RC) buildings with fixed and flexible foundations was evaluated to assess the probability of collapse. The results of this paper demonstrate that SSI and NFGM have significantly influenced the probability of failure of the RC frames. In particular, the flexible-base RC buildings experience higher Spectral acceleration (Sa) compared to the fixed-base ones subjected to FFGM and NFGM.
The performance of reinforced concrete buildings subjected to earthquake excitations depends on the structural behaviour of the superstructure as well as the type of foundation and the properties of soil on which the structure is founded. The consideration of the effects due to the interaction between the structure and soil- foundation alters the seismic response of reinforced concrete buildings subjected to earthquake motion. Evaluation of the structural response of buildings for quantitative assessment of the seismic fragility has been a demanding problem for the engineers. Present research deals with development of fragility curve for building specific vulnerability assessment based on different damage parameters considering the effect of soil-structure interaction. Incremental Dynamic Analysis of fixed base and flexible base RC building models founded on different soil conditions was conducted using finite element software. Three sets of fragility curves were developed with maximum roof displacement, inter storey drift and plastic energy dissipated as engineering demand parameters. The results indicated an increase in the likelihood of exceeding various damage limits by 10-40% for flexible base condition with soft soil profiles. Fragility curve based on energy dissipated showed a higher probability of exceedance for collapse prevention damage limit whereas for lower damage states, conventional methods showed higher probability of exceedance. With plastic energy dissipated as engineering demand parameter, it is possible to track down the intensity of earthquake at which the plastic deformation starts, thereby providing an accurate vulnerability assessment of the structure. Fragility modification factors that enable the transformation of existing fragility curves to account for Soil-Structure Interaction effects based on different damage measures are proposed for different soil conditions to facilitate a congenial vulnerability assessment for buildings with flexible base conditions.
The paper presents a study on the effects of soil-structure-interaction (SSI) on the performance of the compliant liquid column damper (CLCD) for the seismic vibration control of short period structures. The frequency-domain formulation for the input-output relation of a flexible-base structure with CLCD has been derived. The superstructure has been modeled as a linear, single degreeof-freedom (SDOF) system. The foundation has been considered to be attached to the underlying soil medium through linear springs and viscous dashpots, the properties of which have been represented by complex valued impedance functions. By using a standard equivalent linearization technique, the nonlinear orifice damping of the CLCD has been replaced by equivalent linear viscous damping. A numerical stochastic study has been carried out to study the functioning of the CLCD for varying degrees of SSI. Comparison of the damper performance when it is tuned to the fixed-base structural frequency and when tuned to the flexible-base structural frequency has been made. The effects of SSI on the optimal value of the orifice damping coefficient of the damper has also been studied. A more convenient approach for designing the damper while considering SSI, by using an established model of a replacement oscillator for the structure-soil system has also been presented. Finally, a simulation study, using a recorded accelerogram, has been carried out on the CLCD performance for the flexible-base structure.
In this paper, the analysis of hyperbolic cooling tower on elastic subsoil exposed to unsymmetrical wind loading is presented. Modified Vlasov foundation model is used to determine the soil parameters as a function of vertical deformation profile within subsoil. The iterative parameter updating procedure involves the use of Open Application Programming Interface (OAPI) feature of SAP2000 to provide two way data flow during execution. A computing tool coded in MATLAB employing OAPI is used to perform the analysis of hyperbolic cooling tower with supporting columns over a hollow annular raft founded on elastic subsoil. The analysis of such complex soil-structure system is investigated under self-weight and unsymmetrical wind load. The response of the cooling tower on elastic subsoil is compared with that of a tower that its supporting raft foundation is treated as fixed at the base. The results show that the effect of subsoil on the behavior of cooling tower is considerable at the top and bottom of the wall as well as supporting columns and raft foundation. The application of a full-size cooling tower has demonstrated that the procedure is simple, fast and can easily be implemented in practice.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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