In the seismic design of bridges, formation of plastic hinges plays an important role in the dissipation of seismic energy. In the case of conventional fixed-base bridges, the plastic hinges are allowed to form in the superstructure alone. During seismic event, such bridges may be safe from collapse but the superstructure undergoes significant plastic deformations. As an alternative design approach, the plastic hinges are guided to form in the soil thereby utilizing the inevitable yielding of the soil. Rocking foundations work on this concept. The formation of plastic hinges in the soil reduces the load and displacement demands on the superstructure. This study aims at evaluating the seismic response of bridge pier supported on rocking shallow foundation. For this purpose, a BNWF model is implemented in OpenSees platform. The capability of the BNWF model to capture the SSI effects, nonlinear behavior and dynamic loading response are validated using the centrifuge and shake table test results. A comparative study is performed between the seismic response of the bridge pier supported on the rocking shallow foundation and conventional fixed-base foundation. Results of the study have established the beneficial effects of using the rocking shallow foundation for the seismic response analysis of the bridge piers.
The rocking foundation is effective for reducing structural seismic demand and avoiding overdesign of the foundation. It is crucial to evaluate the performance of rocking foundations because they cause plastic hinging in the soil. In this study, to derive optimized ground motion intensity measures (IMs) for rocking foundations, the efficiency of IMs correlated with engineering demand parameters (EDPs) was estimated through the coefficient determination using a physical modeling database for rocking shallow foundations. Foundation deformations, the structural horizontal drift ratio, and contribution in drift from foundation rotation and sliding were selected as crucial EDPs for the evaluation of rocking foundation systems. Among 15 different IMs, the peak ground velocity exhibited the most efficient parameters correlated with the EDPs, and it was discovered to be an efficient ground motion IM for predicting the seismic performance of rocking foundations. For vector regression, which uses two IMs to present the EDPs, the IMs indicating time features improved the efficiency of the regression curves, but the correlation was poor when these are used independently. Moreover, the ratio of the column-hinging base shear coefficient to the rocking base shear coefficient showed obvious trends for the accurate assessment of the seismic performance of rocking foundation-structure systems.
Ha, Jeong-Gon;Jo, Seong-Bae;Park, Heon-Joon;Kim, Dong-Soo
Journal of the Korean Geotechnical Society
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v.33
no.6
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pp.5-16
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2017
Rocking behavior of shallow foundation during the earthquake can reduce the seismic load of the superstructure. The dynamic centrifuge tests were performed to investigate the availability of using rocking behavior for the weathered soil condition. The centrifuge test model was composed of the weathered soil, shallow foundation and single degree of freedom structure. And the accelerations of soil, foundation and structure, and the foundation settlement were measured during the earthquake. From the test result, the seismic load of the structure for the strong earthquake input was reduced by the rocking behavior with foundation uplift and the maximum foundation settlement was less than 0.5% of the foundation width. This shows the potential that the rocking foundation concept can be used in the economical seismic design of foundation for the weathered soil in the future with additional research and verification.
Rocking behavior of shallow foundation reduces the superstructure load during earthquake. However, because of deficiency of understanding of rocking mechanism and soil permanent deformation, it has not been applied to real construction. In this study, slow cyclic tests were conducted for embedded shallow foundations with various slenderness ratio via centrifuge tests. From the variation of earth pressure 'soil rounding surface' phenomenon which makes maximum overturning moment equal to ultimate moment capacity was observed. Rocking and sliding behavior mechanism was evaluated. Also, nonlinear behavior and energy dissipation increase as rotation angle increases. And ultimate moment capacity of embedded foundation is larger than that of surface foundation. Finally, adequate ultimate moment capacity can be suggested for seismic design through this study.
One of the most important parameters affecting nonlinearsoil-structure interaction, especially rocking foundation, is the vertical factor of safety (F.Sv). In this research, the effect of F.Sv on the behavior of rocking foundations was experimentally investigated. A set of slow, cyclic, horizontal loading tests was conducted on elastic SDOF structures with different shallow foundations. Vertical bearing capacity tests also were conducted to determine the F.Sv more precisely. Furthermore, 10% silt was mixed with the dry sand at a 5% moisture content to reach the minimum apparent cohesion. The results of the vertical bearing capacity tests showed that the bearing capacity coefficients (Nc and Nγ) were influenced by the scaling effect. The results of horizontal cyclic loading tests showed that the trend of increase in capacity was substantially related to the source of nonlinearity and it varied by changing F.Sv. Stiffness degradation was found to occur in the final cycles of loading. The results indicated that the moment capacity and damping ratio of the system in models with lower F.Sv values depended on soil specifications such cohesiveness or non-cohesiveness and were not just a function of F.Sv.
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.
Nguyen, Quoc Van;Fatahi, Behzad;Hokmabadi, Aslan S.
Structural Engineering and Mechanics
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v.58
no.6
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pp.1045-1075
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2016
Shallow footings are one of the most common types of foundations used to support mid-rise buildings in high risk seismic zones. Recent findings have revealed that the dynamic interaction between the soil, foundation, and the superstructure can influence the seismic response of the building during earthquakes. Accordingly, the properties of a foundation can alter the dynamic characteristics (natural frequency and damping) of the soil-foundation-structure system. In this paper the influence that shallow foundations have on the seismic response of a mid-rise moment resisting building is investigated. For this purpose, a fifteen storey moment resisting frame sitting on shallow footings with different sizes was simulated numerically using ABAQUS software. By adopting a direct calculation method, the numerical model can perform a fully nonlinear time history dynamic analysis to realistically simulate the dynamic behaviour of soil, foundation, and structure under seismic excitations. This three-dimensional numerical model accounts for the nonlinear behaviour of the soil medium and structural elements. Infinite boundary conditions were assigned to the numerical model to simulate free field boundaries, and appropriate contact elements capable of modelling sliding and separation between the foundation and soil elements are also considered. The influence of foundation size on the natural frequency of the system and structural response spectrum was also studied. The numerical results for cases of soil-foundation-structure systems with different sized foundations and fixed base conditions (excluding soil-foundation-structure interaction) in terms of lateral deformations, inter-storey drifts, rocking, and shear force distribution of the structure were then compared. Due to natural period lengthening, there was a significant reduction in the base shears when the size of the foundation was reduced. It was concluded that the size of a shallow foundation influences the dynamic characteristics and the seismic response of the building due to interaction between the soil, foundation, and structure, and therefore design engineer should carefully consider these parameters in order to ensure a safe and cost effective seismic design.
Structural inertial interaction is a representative the effect of dynamic soil-foundation-structure interaction (SFSI), which leads to a relative displacement between soil and foundation, period lengthening, and damping increasing phenomena. However, for a system with a significantly heavy foundation, the dynamic inertia of the foundation influences and interacts with the structural seismic response. The structure-to-foundation mass ratio (MR) quantifies the distribution of mass between the structure and foundation for a structure on a shallow foundation. Although both systems exhibit the same vertical factor of safety (FSv), the MR and corresponding seismic responses attributed to the structure and foundation masses may differ. This study explored the influence of MR on the permanent deformation and seismic response of soil-foundation-structure system considering SFSI via numerical simulations. Given that numerous dimensionless parameters of SFSI described its influence on the structural seismic response, the parameters, except for MR and FSv, were fixed for the sensitivity analysis. The results demonstrated that the foundation inertia of heavier foundations induced more settlement due to sliding behavior of heavily-loaded systems. Moreover, the structural inertia of heavier structures evidently exhibited foundation rocking behavior, which results in a more elongated natural period of the structure for lightly-loaded systems.
Ha, Jeong Gon;Jo, Seong Bae;Park, Heon Joon;Kim, Dong Kwan;Kim, Dong Soo
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.20
no.5
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pp.285-293
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2016
Soil-foundation-structure interaction (SFSI) is one of the important issues in the seismic design for evaluating the exact behavior of the system. A seismic design of a structure can be more precise and economical, provided that the effect of SFSI is properly taken into account. In this study, a series of the dynamic centrifuge tests were performed to compare the seismic response of the single degree of freedom(SDOF) structure on the various types of the foundation. The shallow and pile foundations were made up of diverse mass and different conjunctive condition, respectively. The test specimen consisted of dry sand deposit, foundation, and SDOF structure in a centrifuge box. Several types of earthquake motions were sequentially applied to the test specimen from weak to strong intensity of them, which is known as a stage test. Results from the centrifuge tests showed that the seismic responses of the SDOF structure on the shallow foundation and disconnected pile foundation decreased by the foundation rocking. On the other hand, those on the connected pile foundation gradually increased with intensity of input motion. The allowable displacement of the foundation under the strong earthquake, the shallow and the disconnected pile foundation, have an advantage in dissipating the earthquake energy for the seismic design.
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.
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