The study aims to investigate the pounding that occurs between the isolator's ring and slider of isolated structures resulting from excessive seismic excitation, while considering soil-structure interaction. The dynamic responses and poundings of structures subjected a series seismic records were comparatively analyzed for three different soil types and fixed-base structures. A series of parametric studies were conducted to thoroughly discuss the effects of the impact displacement ratio, the FPB friction coefficient ratio, and the radius ratio on the structural dynamic response when considering impact and SSI. It was found that the pounding is extremely brief, with an exceptionally large pounding force generated by impact, resulting in significant acceleration pulse. The acceleration and inter-story shear force of the structure experiencing pounding were greater than those without considering pounding. Sudden changes in the inter-story shear force between the first and second floors of the structure were also observed. The dynamic response of structures in soft ground was significantly lower than that of structures in other ground conditions under the same conditions, regardless of the earthquake wave exciting the structure. When the structure is influenced by pulse-type earthquake records, its dynamic response exhibits a trend of first intensifying and then weakening as the equivalent radius ratio and friction coefficient ratio increase. However, it increases with an increase in the pounding displacement ratio, equivalent radius ratio, friction coefficient ratio, and displacement ratio when the structures are subjected to non-pulse-type seismic record.
This paper presents a seismic analysis method that can evaluate a very large number of cases for the free standing dry storage cask by proposing a methodology that has short analysis time as well as accuracy. This study also performed a seismic analysis of a dry storage facility with multiple casks to show a tip-over phenomenon from earthquake accident conditions. The earthquake accident condition is long-term event that occur during about 20 s long, and lots of seismic analysis cases should be performed to consider various real conditions because the free-standing spent-fuel dry storage cask has many nonlinear responses. The soil-concrete pad-cask interaction was considered in the seismic analysis and finite element model was made using concrete pad, soil and cask models. In the reinforced concrete pad, the rebar was excluded to reduce the analysis time, but the thickness was corrected to maintain the bending rigidity. Additionally, the analysis time reduced by modeling the cask as a rigid body rather than a flexible body. 35-cases of seismic analysis were performed to determine a tip-over phenomenon from each earthquake. The analysis revealed that no tip-over phenomenon of the cask was observed in all analyses from 0.2 g to 0.6 g, however the tip-over of the cask were observed from 0.8 g with friction coefficients of 0.8 and 1.0.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.11
no.1
s.53
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pp.67-77
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2007
Site coefficients in IBC and KBC codes have some limits to predict the rational seismic responses of a structure, because they take into account only the effect of the soil amplification without the effects of the structure-soil interaction. In this study, upper and lower limits of the site coefficients are estimated through the pseudo 3-D elastic seismic response analyses of structures built on the linear or nonlinear soil layers taking Into account the effects of the structure-soil interaction. Soil characteristics of site classes of A, B and C were assumed to be linear, and those of site classes of D and E were done to be nonlinear and the Ramberg-Osgood model was used to evaluate shear modulus and damping ratio of a soil layer depending on the shear wave velocity of the soil layer, Seismic analyses were performed with 12 weak or moderate earthquake records scaled the peak acceleration to 0.1g or 0.2g and deconvoluted as earthquake records at the bedrock located at 30m deep under the outcrop. With the study results of the elastic seismic response analyses of structures, new standard response spectrum and upper and lower limits of the site coefficients of $F_{a}\;and\;F_{v}$ at the short period range and the period of 1 second are suggested including the effects of the structure-soil interaction, and new site coefficients for the KBC code are also suggested.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.33
no.4
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pp.245-253
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2020
In this study, natural frequencies are compared using several pile-soil interaction (PSI) models to evaluate the effects of each model on resonance safety checks for a monopile type of wind turbine structure. Base spring, distributed spring, and three-dimensional brick-shell models represented the PSIs in the finite element model. To analyze the effects of the PSI models on a natural frequency, after a stiffness matrix calculation and Winkler-based beam model for base spring and distributed spring models were presented, respectively; natural frequencies from these models were investigated for monopiles with different geometries and soil properties. These results were compared with those from the brick-shell model. The results show that differences in the first natural frequency of the monopiles from each model are small when the small diameter of monopile penetrates hard soil and rock, while the distributed spring model can over-estimate the natural frequency for large monopiles installed in weak soil. Thus, an appropriate PSI model for natural frequency analyses should be adopted by considering soil conditions and structure scale.
In this study, stochastic responses of a cable-stayed bridge subjected to the spatially varying earthquake ground motion are investigated by the finite element method taking into account soil-structure interaction (SSI) effects. The considered bridge in the analysis is Quincy Bay-view Bridge built on the Mississippi River in between 1983-1987 in Illinois, USA. The bridge is composed of two H-shaped concrete towers, double plane fan type cables and a composite concrete-steel girder deck. In order to determine the stochastic response of the bridge, a two-dimensional lumped masses model is considered. Incoherence, wave-passage and site response effects are taken into account for the spatially varying earthquake ground motion. Depending on variation in the earthquake motion, the response values of the cable-stayed bridge supported on firm, medium and soft foundation soil are obtained, separately. The effects of SSI on the stochastic response of the cable-stayed bridge are also investigated including foundation as a rigidly capped vertical pile groups. In this approach, piles closely grouped together beneath the towers are viewed as a single equivalent upright beam. The soil-pile interaction is linearly idealized as an upright beam on Winkler foundation model which is commonly used to study the response of single piles. A sufficient number of springs on the beam should be used along the length of the piles. The springs near the surface are usually the most important to characterize the response of the piles surrounded by the soil; thus a closer spacing may be used in that region. However, in generally springs are evenly spaced at about half the diameter of the pile. The results of the stochastic analysis with and without the SSI are compared each other while the bridge is under the sway of the spatially varying earthquake ground motion. Specifically, in case of rigid towers and soft soil condition, it is pointed out that the SSI should be significantly taken into account for the design of such bridges.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.2
no.1
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pp.1-10
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1998
In the dynamic soil-structure interaction(SSI) analysis, numerous uncertain parameters are involved. They include the uncertainties in the definition of input motions, modeling of soil-structure interaction systems. analysis techniques, etc. This paper presents the results of parametric studies of the seismic responses of a reactor containment structure built on the viscoelastic layered soil. Among the numerous parameter, this study concentrates on the effects of definition point of the input motion, embedment of structure to the base soil, thickness of the top soil layer, and rigidity of the base soil. The substructure method using frequency independent impedances is adopted. The method is based on the mode superposition method in time domain using the composite modal damping values of th SSI system computed from the ratio of dissipated energy to the strain energy for each model. From the study results, the sensitivity of each parameter on the earthquake responses has been suggested for the practical application of the substructure method of SSI analysis.
Niroumand, Hamed;Mehrizi, Mohammad Emad Mahmoudi;Saaly, Maryam
Geomechanics and Engineering
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v.11
no.1
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pp.1-39
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2016
The finite element method (FEM), discrete element method (DEM), and Discontinuous deformation analysis (DDA) are among the standard numerical techniques applied in computational geo-mechanics. However, in some cases there no possibility for modelling by traditional finite analytical techniques or other mesh-based techniques. The solution presented in the current study as a completely Lagrangian and mesh-free technique is smoothed particle hydrodynamics (SPH). This method was basically applied for simulation of fluid flow by dividing the fluid into several particles. However, several researchers attempted to simulate soil-water interaction, landslides, and failure of soil by SPH method. In fact, this method is able to deal with behavior and interaction of different states of materials (liquid and solid) and multiphase soil models and their large deformations. Soil indicates different behaviors when interacting with water, structure, instrumentations, or different layers. Thus, study into these interactions using the mesh based grids has been facilitated by mesh-less SPH technique in this work. It has been revealed that the fast development, computational sophistication, and emerge of mesh-less particle modeling techniques offer solutions for problems which are not modeled by the traditional mesh-based techniques. Also it has been found that the smoothed particle hydrodynamic provides advanced techniques for simulation of soil materials as compared to the current traditional numerical methods. Besides, findings indicate that the advantages of applying this method are its high power, simplicity of concept, relative simplicity in combination of modern physics, and particularly its potential in study of large deformations and failures.
One of the main parameters that affect the design of suction caisson-supported offshore structures is uplift behavior. Pull-out of suction caissons is profoundly utilized as the offshore wind turbine foundations accompany by a tensile resistance that is a function of a complex interaction between the caisson dimensions, geometry, wall roughness, soil type, load history, pull-out rate, and many other parameters. In this paper, a parametric study using a 3-D finite element model (FEM) of a single offshore suction caisson (SOSC) surrounded by saturated soil is performed to examine the effect of some key factors on the tensile resistance of the suction bucket foundation. Among the aforementioned parameters, caisson geometry and uplift loading as well as the difference between the tensile resistance and suction pressure on the behavior of the soil-foundation system including tensile capacity are investigated. For this purpose, a full model including 3-D suction caisson, soil, and soil-structure interaction (SSI) is developed in Abaqus based on the u-p formulation accounting for soil displacement (u) and pore pressure, P.The dynamic responses of foundations are compared and validated with the known results from the literature. The paper has focused on the effect of geometry change of 3-D SOSC to present the soil-structure interaction and the tensile capacity. Different 3-D caisson models such as triangular, pentagonal, hexagonal, and octagonal are employed. It is observed that regardless of the caisson geometry, by increasing the uplift loading rate, the tensile resistance increases. More specifically, it is found that the resistance to pull-out of the cylinder is higher than the other geometries and this geometry is the optimum one for designing caissons.
A semi-stochastic process model of reliability was established for hyperbolic cooling towers subjected to combined loadings of wind force, self-weight, temperature loading. Effect of the soil-structure interaction on reliability was evaluated. By involving the gust factor, an equivalent static scheme was employed to convert the dynamic model to static model. The TR combination rule was used to consider relations between load responses. An analysis example was made on the 90M cooling tower of Maoming, Guangdong of China. Numerical results show that the design not including interaction turns to be conservative.
In this paper, the dynamic behavior for a group of transmission towers linked together through electrical wires and subjected to a strong ground motion will be investigated in detail. In performing the seismic analysis, the wires and the towers concerned are modeled, respectively, by using the efficient cable elements and the 3-D beam elements both considering geometric nonlinearities. In addition, to enhance the reliability and applicability of analytical outcome, a sophisticated soil-structure interaction model will be utilized in analyses. The strength capacities and the fracture occurrences for the main members of the tower are examined with the employment of the appropriate strength interaction equations. It is expected that by aid of this investigation, those who are engaged in code constitution or in practical designing of transmission towers may gain a better insight into the roles played by the interaction force between towers and wires and by the configurations of transmission lines under strong earthquake.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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