The effects of the uniform and spatially varying ground motions on the stochastic response of fluid-structure interaction system during an earthquake are investigated by using the displacement based fluid finite elements in this paper. For this purpose, variable-number-nodes two-dimensional fluid finite elements based on the Lagrangian approach is programmed in FORTRAN language and incorporated into a general-purpose computer program SVEM, which is used for stochastic dynamic analysis of solid systems under spatially varying earthquake ground motion. The spatially varying earthquake ground motion model includes wave-passage, incoherence and site-response effects. The effect of the wave-passage is considered by using various wave velocities. The incoherence effect is examined by considering the Harichandran-Vanmarcke and Luco-Wong coherency models. Homogeneous medium and firm soil types are selected for considering the site-response effect where the foundation supports are constructed. A concrete gravity dam is selected for numerical example. The S16E component recorded at Pacoima dam during the San Fernando Earthquake in 1971 is used as a ground motion. Three different analysis cases are considered for spatially varying ground motion. Displacements, stresses and hydrodynamic pressures occurring on the upstream face of the dam are calculated for each case and compare with those of uniform ground motion. It is concluded that spatially varying earthquake ground motions have important effects on the stochastic response of fluid-structure interaction systems.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.2
no.1
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pp.23-34
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1998
A dynamic fluid-structure-soil interaction analysis method is developed to investigate the effects of translational and/or rocking motions on the seismic response of flexible rectangular liquid storage tanks founded on the deformable ground. The governing equation for the dynamics of 3-D rectangular tanks subjected to the translational and/or rocking motion is abtained by applying Rayleigh-Ritz method. The dynamic stiffness matrices of a rigid rectangular foundation resting on the surface of a stratum overlaid bedrock are calculated by hyperelement method. The seismic responses of 3-D flexible tank model founded on the deformable ground is calculated by combining the governing equation for the fluid-tank system with the dynamic stiffness matrix of th rigid surface foundation.
Mohammad Hossein Aghashiri;Shamsedin Hashemi;Mohammad Reza Kianoush
Structural Engineering and Mechanics
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v.92
no.1
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pp.25-52
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2024
In the current paper, the various responses of concrete rectangular liquid storage containers under seismic load, each isolated by a lead-rubber bearing subjected to bi-directional earthquake forces are investigated. A parametric study is conducted to investigate the effects of isolation period, yield strength of the isolator and the effects of soil-foundation interaction for non-isolated and base-isolated tanks located on different soil types. In most cases, the value of base shear, base moment, wall displacement and hydrodynamic pressure is reduced by the effect of the isolators whose effective frequency is within the appropriate range. The sloshing displacement is amplified due to seismic isolation of the tanks for both tall and shallow tank configurations. Also, it is found that the seismic isolation technique is more efficient for the more flexible tank. Studying various soil types indicates that, unlike the responses of non-isolated tanks which change drastically for different soil types, the responses of base-isolated structures are less affected. Finally, it is observed that the variation in structural responses is not only related to the superstructure configuration and bearings properties but also depends on the earthquake specifications.
Lee, Jin Ho;Bae, Kyung Tae;Jin, Byeong Moo;Kim, Jae Kwan
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.17
no.6
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pp.257-269
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2013
In this study, the capability of an existing analysis method for the fluid-structure-soil interaction of an offshore wind turbine is expanded to account for the geometric nonlinearity and sea water drag force. The geometric stiffness is derived to take care of the large displacement due to the deformation of the tower structure and the rotation of the footing foundation utilizing linearized stability analysis theory. Linearizing the term in Morison's equation concerning the drag force, its effects are considered. The developed analysis method is applied to the earthquake response analysis of a 5 MW offshore wind turbine. Parameters which can influence dynamic behaviors of the system are identified and their significance are examined.
Raheem, Shehata E. Abdel;Aal, Elsayed M. Abdel;AbdelShafy, Aly G.A.;Mansour, Mahmoud H.;Omar, Mohamed
Ocean Systems Engineering
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v.10
no.3
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pp.243-266
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2020
In-place analysis for offshore platforms is required to make proper design for new structures and true assessment for existing structures. In addition, ensure the structural integrity of platforms components under the maximum and minimum operating loads and environmental conditions. In-place analysis was carried out to verify the robustness and capability of structural members with all appurtenances to support the applied loads in either operating condition or storm conditions. A nonlinear finite element analysis is adopted for the platform structure above the seabed and the pile-soil interaction to estimate the in-place behavior of a typical fixed offshore platform. The SACS software is utilized to calculate the natural frequencies of the model and to obtain the response of platform joints according to in-place analysis then the stresses at selected members, as well as their nodal displacements. The directions of environmental loads and water depth variations have an important effect on the results of the in-place analysis behavior. The influence of the soil-structure interaction on the response of the jacket foundation predicts is necessary to estimate the loads of the offshore platform well and real simulation of offshore foundation for the in-place analysis. The result of the study shows that the in-place response investigation is quite crucial for safe design and operation of offshore platform against the variation of environmental loads.
This paper presents seismic analysis of concrete gravity dams considering soil-structure-fluid interaction. Displacement based plane strain finite element formulation is considered for the dam and foundation domain whereas pressure based finite element formulation is considered for the reservoir domain. A direct coupling method has been adopted to obtain the interaction effects among the dam, foundation and reservoir domain to obtain the dynamic responses of the dam. An efficient absorbing boundary condition has been implemented at the truncation surfaces of the foundation and reservoir domains. A parametric study has been carried out considering each domain separately and collectively based on natural frequencies, crest displacement and stress at the neck level of the dam body. The combined frequency of the entire coupled system is very less than that of the each individual sub-system. The crest displacement and neck level stresses of the dam shows prominent enhancement when coupling effect is taken into consideration. These outcomes suggest that a complete coupled analysis is necessary to obtain the actual responses of the concrete gravity dam. The developed methodology can easily be implemented in finite element code for analyzing the coupled problem to obtain the desired responses of the individual subdomains.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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1997.04a
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pp.107-114
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1997
A dynamic fluid-structure-soil interaction analysis method is developed to investigate the effects of rocking motion on the seismic response of the 3-D flexible rectangular liquid storage tanks founded on the deformable ground. The governing equation of 3-D rectangular tanks subjected to the translational and rocking motions is obtained by Rayleigh-Ritz method. The dynamic stiffness matrix of the rigid surface foundation resting on the surface of a stratum are calculated by hyperelement method. The seismic responses of a 3-D flexible tank model founded on the deformable ground is calculated by combining the governing equation of the structural motion with the dynamic stiffness matrix of the rigid surface foundation.
The determination of the damage index to reveal the performance level of a structure can constitute the seismic risk generalization approach based on the parametric analysis. This study implemented this concept to one kind of civil engineering structure that is the concrete gravity dam. Different cases of the structure exhibit their individual responses, which constitute different considerations. Therefore, this approach allows the parametric study of concrete as well as soil for evaluating the seismic nature in the generalized case. To ensure that the target algorithm applicable to most of the concrete gravity dams, a very simple procedure has been considered. In order to develop a correlated algorithm (by response surface methodology; RSM) between the ground motion and the structural property, randomized sampling was adopted through a stochastic method called half-fractional central composite design. The responses in the case of fluid-foundation-dam interaction (FFDI) make it more reliable by introducing the foundation as being bounded by infinite elements. To evaluate the seismic generalization of FFDI models, incremental dynamic analysis (IDA) was carried out under the impacts of various earthquake records, which have been selected from the Pacific Earthquake Engineering Research Center data. Here, the displacement-based damage indexed fragility curves have been generated to show the variation in the seismic pattern of the dam. The responses to the sensitivity analysis of the various parameters presented here are the most effective controlling factors for the concrete gravity dam. Finally, to establish the accuracy of the proposed approach, reliable verification was adopted in this study.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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1999.04a
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pp.267-274
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1999
Since the seismic response of dams can be strongly influenced by the dam-reservior interaction in needs to be taken into account in the seismic design of dams. In general a substructure method is employed to solve the dam-reservoir interaction problem in which the dam body is modeled with finite elements and the infinite region of a reservoir using a transmitting boundary. When the water is modeled as a compressible fluid the equation is formulated in frequency domain. But nonlinear behavior of dam body cannot be studied easily in the frequency domain method. In this study time domain formulation of the dam-reservoir-soil interaction is proposed based onthe lumped parameter modeling of the reservoir region, The frequency dependent dynamic-stiffness coefficients of the reservoir are converted into frequency independent lumped-parameters such as masses dampers and springs. The soil-structure interactionis modeled using lumped parameters in similar way. the ground is assumed as a visco-elastic stratum on the rigid bedrock. The dynamic stiffnesses of the rigid surface foundation are calculated using the hyperelement method and are converted into lumped parameters. The application example demonstrated that the lumped parameter model gives almost identical results with the frequency domain formulation.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.25
no.4
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pp.236-243
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2013
Offshore wind turbines has to be proved against accidental events such as ship collision. In this study, ship collision fragility analysis of offshore wind turbine is done. Dynamic collision analysis is accomplished by considering soil foundation interaction and fluid structure interaction. Uncertainties due to ship weight and speed, angle are also considered. By analyzing dynamic response of offshore wind turbine, fragility curves are obtained for different damage levels. They can be used for restricting boat speed around the wind turbine and allowable size of the boat for inspection and for other purposes. Results of the fragility, it was confirmed fragility of collision speed of bulk ship of 30,000DWT and 850ton barge ship.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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