The aim of this paper is to investigate how the soil-structure interaction affects sloshing response of the elevated tanks. For this purpose, the elevated tanks with two different types of supporting systems which are built on six different soil profiles are analyzed for both embedded and surface foundation cases. Thus, considering these six different profiles described in well-known earthquake codes as supporting medium, a series of transient analysis have been performed to assess the effect of both fluid sloshing and soil-structure interaction (SSI). Fluid-Elevated Tank-Soil/Foundation systems are modeled with the finite element (FE) technique. In these models fluid-structure interaction is taken into account by implementing Lagrangian fluid FE approximation into the general purpose structural analysis computer code ANSYS. A 3-D FE model with viscous boundary is used in the analyses of elevated tanks-soil/foundation interaction. Formed models are analyzed for embedment and no embedment cases. Finally results from analyses showed that the soil-structure interaction and the structural properties of supporting system for the elevated tanks affected the sloshing response of the fluid inside the vessel.
An efficient methodology is presented to evaluate the seismic behavior of a Fluid-Elevated Tank-Foundation/Soil system taking the embedment effects into accounts. The frequency-dependent cone model is used for considering the elevated tank-foundation/soil interaction and the equivalent spring-mass model given in the Eurocode-8 is used for fluid-elevated tank interaction. Both models are combined to obtain the seismic response of the systems considering the sloshing effects of the fluid and frequency-dependent properties of soil. The analysis is carried out in the frequency domain with a modal analysis procedure. The presented methodology with less computational efforts takes account of; the soil and fluid interactions, the material and radiation damping effects of the elastic half-space, and the embedment effects. Some conclusions may be summarized as follows; the sloshing response is not practically affected by the change of properties in stiff soil such as S1 and S2 and embedment but affected in soft soil. On the other hand, these responses are not affected by embedment in stiff soils but affected in soft soils.
This paper presents a method of seismic analysis for a cylindrical liquid storage structure on/in horizontally layered half.space considering the effects of the interior fluid and exterior soil medium in the frequency domain. To capture the essence of fluid-structure-soil interaction effects effectively, a mixed finite element with two-field (u, p) approximation is employed to model the compressive inviscid fluid, while the structure and soil medium are presented by the 3-D axisymmetric finite elements and dynamic infinite elements. The present FE-based method can be applied to the system with complex geometry of fluid region as well as with inhomogeneous near-field soil medium, since it can directly model both the fluid and the soil. For the purpose of verification, dominant peak frequencies in transfer functions for horizontal motions of cylindrical fluid storage tanks with rigid massless foundation on a homogeneous viscoelastic half.space are compared with those by two different added mass approaches for the fluid motion. The comparison indicates that the Present FE-based methodology gives accurate solution for the fluid-structure-soil interaction problem. Finally, as a demonstration of versatility of the present study, a seismic analysis for a real-scale LNG storage tank embedded in layered half.space is carried out, and its member forces along the height of the structure are compared with those by an added mass approach developed by the present writers.
한국지진공학회 2000년도 춘계 학술발표회 논문집 Proceedings of EESK Conference-Spring
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pp.427-434
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2000
This paper presents a computer program for a 2-D fluid-structure-soil interaction analysis. With this computer program the fluid can be modeled by a spurious free 4-node displacement-based fluid element which uses rotational penalty and mass projection technique in conjunction with the one point reduced integration scheme to remove the spurious zero energy modes. The structure and near field soil are discretized by the standard finite elements while the unbounded far field soil are discretized by the standard finite elements while the unbounded far field soil is represented by the frequency dependent dynamic infinite elements. Sine this method models directly the fluid-structure-soil system it can be applied to the dynamci analysis of 2-D liquid storage structure with complex geometry. For the purpose of verification dynamic analyses for tanks on a rigid foundation and on compliant embankment are carried out. Comparison of the present results with those by ANSYS program shows good agreement.
Modeling and analyzing the dynamic behavior of fluid-soil-structure interaction problems are crucial in structural engineering. The solution to such coupled engineering systems is often not achievable through analytical modeling alone, and a numerical solution is necessary. Generally, the Finite Element Method (FEM) is commonly used to address such problems. However, when dealing with coupled problems with complex geometry, the finite element method may not precisely represent the geometry, leading to errors that impact solution quality. Recently, Isogeometric Analysis (IGA) has emerged as a preferred method for modeling and analyzing complex systems. In this study, IGA based on Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS) is employed to analyze the seismic behavior of concrete gravity dams, considering fluid-structure-foundation interaction. The performance of IGA is then compared with the classical finite element solution. The computational efficiency of IGA is demonstrated through case studies involving simulations of the reservoir-foundation-dam system under seismic loading.
This study performed the seismic response analysis of an LNG storage tank supported by a disconnected piled raft foundation (DPRF) with a load transfer platform (LTP). For this purpose, a precise analytical model with simultaneous consideration of Fluid-Structure Interaction (FSI) and Soil-Structure Interaction (SSI) was used. The effect of the LTP characteristics (thickness, stiffness) of the DPRF system on the seismic response of the superstructure (inner and outer tanks) and piles was analyzed. The analytical results were compared with the response of the piled raft foundation (PRF) system. The following conclusions can be drawn from the numerical results: (1) The DPRF system has a smaller bending moment and axial force at the head of the pile than the PRF system, even if the thickness and stiffness of the LTP change; (2) The DPRF system has a slight stiffness of the LTP and the superstructure member force can increase with increasing thickness. This is because as the stiffness of the LTP decreases and the thickness increases, the natural frequency of the LTP becomes closer to the natural frequency of the superstructure, which may affect the response of the superstructure. Therefore, when applying the DPRF system, it is recommended that the sensitivity analysis of the seismic response to the thickness and stiffness of the LTP must be performed.
In construction facilities such as bridges, the fluid boundary layer(or water film) is formed at the structure-soil interface by the inflow into the system due to rainfall or/and rising ground-water. As a result, the structure-soil interaction(SSI) state changes into the structure-fluid-soil interaction(SFSI) state. In general, construction facilities may be endangered by the inflow of water into the soil foundation. Thus, it is important to predict the dynamic SFSI responses accurately so that the facilities may be properly designed against such dangers. It is desired to have the robust tools of attaining such a purpose. However, there has not been any report of a method for the SFSI analyses. The objective of this study is to propose an efficient method of finite element modelling using the new interface element named hybrid interface element capable of giving reasonable predictions of the dynamic SFSI response. This element enables the simulation of the limited normal tensile resistance and the tangential hydro-plane behaviour, which has not been preceded in the previous studies. The hybrid interface element was tested numerically for its validity and employed in the analysis of SFSI responses of the continuous bridge subjected to seismic load under rainfall or/and rising ground-water condition. It showed that dynamic responses of the continuous bridge resting on direct foundation may be amplified under rainfall condition and consequently lead to significant variation of stresses.
항만구조물의 유체-구조물-지반 상호작용(FSSI)을 고려한 지진응답해석을 수행하였다. 우리나라 동남해안에 위치한 방파제 구조물을 대상으로 장주기 및 단주기파로 구분된 지진을 비롯하여 최근 우리나라에서 발생한 울진지진에 대한 지진응답특성에 대하여 고찰하였다. FSSI 효과를 고려하기 위하여 유체요소는 평면변형해석에 사용하는 4절점 사변형요소를 수정한 요소를 이용하여 모델링 하였다. 그리고 FSSI해석, 진도법, 부가질량법에 의한 지진응답특성을 비교하였다. 고유치해석을 통하여 방파제의 고유주기를 찾고, 기존의 지진 및 최근 우리나라에서 발생한 지진에 대한 지진응답특성 결과로부터 방파제 구조물이 장주기성분에 대한 영향을 더 많이 받는 것을 확인하였다.
이 논문에서는 유체-구조물-지반의 상호작용을 고려한 해상풍력발전기의 지진응답해석법을 제시하였다. 풍력발전기는 tower와 그 정점에 집중된 질량으로 모델링 되었다. 이 tower는 유연한 해저지반에 기초하고 있는 튜브형 cantilever로 이상화하였다. Tower와 해수 간의 동적 상호작용, 기초와 지반간의 동적 상호작용이 고려된 유체-구조물-지반 연성계의 지배방정식은 부분구조법과 Rayleigh-Ritz방법에 의해서 유도되었다. 해수는 압축성 비점성 이상 유체로 이상화하였다. 해수로 포화된 층상지반에 놓인 footing의 동적 강성은 Thin Layer법에 의해서 계산하여 상부구조물 모델과 결합시켰다. 이 해석법을 해상풍력발전기 모델의 지진응답해석에 적용하였다. 해석 결과를 준거해와 비교해서 제안한 해석법의 타당성을 검증하였다. Tower의 유연성, 지반의 강성이 해상풍력발전기 지진거동에 미치는 영향을 분석하였다. 유체-구조물 상호작용과 지반-구조물 상호작용의 지진응답에 대한 상대적인 중요도를 비교 평가하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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