The most important features of linear soil-foundation-structure interaction are reviewed, using stochastic modeling and considering kinematic interaction, inertial interaction, and structural distortion as three separate stages of the dynamic response to the free-field motion. The way in which each of the three dynamic stages modifies the spectral density of the motion is studied, with the emphasis being on interpretation of these results, rather than on the development of new analysis techniques. Structural distortion and inertial interaction analysis are shown to be precisely modeled as linear filtering operations. Kinematic interaction, though, is more complicated, even though it has a filter-like effect on the frequency content of the motion.
The study deals with physical modeling of a typical three storeyed building frame supported by a pile group of four piles ($2{\times}2$) embedded in cohesive soil mass using three dimensional finite element analysis. For the purpose of modeling, the elements such as beams, slabs and columns, of the superstructure frame; and that of the pile foundation such as pile and pile cap are descretized using twenty noded isoparametric continuum elements. The interface between the pile and the soil is idealized using sixteen node isoparametric surface element. The soil elements are modeled using eight nodes, nine nodes and twelve node continuum elements. The present study considers the linear elastic behaviour of the elements of superstructure and substructure (i.e., foundation). The soil is assumed to behave non-linear. The parametric study is carried out for studying the effect of soil- structure interaction on response of the frame on the premise of sub-structure approach. The frame is analyzed initially without considering the effect of the foundation (non-interaction analysis) and then, the pile foundation is evaluated independently to obtain the equivalent stiffness; and these values are used in the interaction analysis. The spacing between the piles in a group is varied to evaluate its effect on the interactive behaviour of frame in the context of two embedment depth ratios. The response of the frame included the horizontal displacement at the level of each storey, shear force in beams, axial force in columns along with the bending moments in beams and columns. The effect of the soil- structure interaction is observed to be significant for the configuration of the pile groups and in the context of non-linear behaviour of soil.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.13
no.4
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pp.437-448
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2000
In this study, a numerical analysis method for soil-pile interaction in frequency domain problem is presented. The total soil-pile interaction system is divided into two parts so called near field and far field. In the near field, beam elements are used lot a pile and plain strain finite elements for soil. In the far field, dynamic fundamental solution for multi-layered half planes based on boundary element formulation is adopted lot soil. These two fields are coupled using FE-BE coupling technique. In order to verify the proposed soil-pile interaction analysis, the dynamic responses of pile on multi-layered half planes are simulated and the results are compared with the experimental results. Also, various numerical analyses of piles considering different conditions of soil-pile interaction system are performed to examine the dynamic behavior of the system. It has been found that the developed method which satisfies the radiation conditions of multi-layered half planes can be applied to various structure systems effectively in frequency domain.
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.
The study deals with the physical modeling of a typical building frame resting on pile foundation and embedded in cohesive soil mass using complete three-dimensional finite element analysis. Two different pile groups comprising four piles ($2{\times}2$) and nine piles ($3{\times}3$) are considered. Further, three different pile diameters along with the various pile spacings are considered. The elements of the superstructure frame and those of the pile foundation are descretized using twenty-node isoparametric continuum elements. The interface between the pile and pile and soil is idealized using sixteen-node isoparametric surface elements. The current study is an improved version of finite element modeling for the soil elements compared to the one reported in the literature (Chore and Ingle 2008). The soil elements are discretized using eight-, nine- and twelve-node continuum elements. Both the elements of superstructure and substructure (i.e., foundation) including soil are assumed to remain in the elastic state at all the time. The interaction analysis is carried out using sub-structure approach in the parametric study. The total stress analysis is carried out considering the immediate behaviour of the soil. The effect of various parameters of the pile foundation such as spacing in a group and number piles in a group, along with pile diameter, is evaluated on the response of superstructure. The response includes the displacement at the top of the frame and bending moment in columns. The soil-structure interaction effect is found to increase displacement in the range of 58 -152% and increase the absolute maximum positive and negative moments in the column in the range of 14-15% and 26-28%, respectively. The effect of the soil- structure interaction is observed to be significant for the configuration of the pile groups and the soil considered in the present study.
The effectiveness of fluid viscous dampers (FVDs) on dynamic response mitigation of coupled two adjacent structures was investigated, considering soil-structure interaction (SSI) effects under earthquake excitation. A numerical procedure was employed to evaluate system response. The finite elements were used for the numerical treatment of the adjacent buildings and soil region. Viscous boundary conditions were used as special non-reflecting boundaries on the edges of finite soil region. According to the results, the FVDs were found to be very effective for dynamic response mitigation of the adjacent buildings, even if considering the soil medium. The results showed that the most affecting parameter on the system response was found to be soil type. It was also concluded that when adjacent structures coupled by FVDs, the maximum values of the roof displacements, the base shear forces, and the base bending moments could decrease up to around 50%. Changing in lateral stiffness of the one building has minor effects on the effectiveness of viscous dampers.
This paper presents a seismic response analysis of bridge structures considering the spatial variation of input ground motion. In earthquake analyses of structures, it is usually assumed that the input ground motion is the same at every support. However, this assumption is not justified for long structures like bridges, because observations have shown that the earthquake ground motion can vary considerably within relatively small distances. When the soil under the foundation is relatively soft and deep, an analysis of the foundation-soil interaction must always be performed. To consider the foundation-soil interaction, a soil response analysis is performed first, and after determining the material characteristics of the foundation element obtained by this foundation-soil interaction analysis, the seismic response analysis of a bridge superstructure with equivalent springs and dampers is performed. Finally, the influences of the spatial variation in the input motion, which are affected by different soil characteristics, are considered.
The building frame and its foundation along with the soil on which it rests, together constitute a complete structural system. In the conventional analysis, a structure is analysed as an independent frame assuming unyielding supports and the interactive response of soil-foundation is disregarded. This kind of analysis does not provide realistic behaviour and sometimes may cause failure of the structure. Also, the conventional analysis considers infill wall as non-structural elements and ignores its interaction with the bounding frame. In fact, the infill wall provides lateral stiffness and thus plays vital role in resisting the seismic forces. Thus, it is essential to consider its effect especially in case of high rise buildings. In the present research work the building frame, infill wall, isolated column footings (open foundation) and soil mass are considered to act as a single integral compatible structural unit to predict the nonlinear interaction behaviour of the composite system under seismic forces. The coupled isoparametric finite-infinite elements have been used for modelling of the interaction system. The material of the frame, infill and column footings has been assumed to follow perfectly linear elastic relationship whereas the well known hyperbolic soil model is used to account for the nonlinearity of the soil mass.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2002.03a
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pp.101-110
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2002
This article summarises the traditional method of soil-structure interaction based on the modulus of subgrade reaction and shows its weakness. In order to avoid these weakness, a new soil-structure interaction model is proposed. This model considers the soil as a set of connected springs which enables interaction between springs. Its use is as simple as the traditional model but allows to define the soil properties independently from the structural properties and the loading conditions. Thus, the definition of the modulus of subgrade reaction is unnecessary as each component is defined by its own modulii (Young's modulus and shear modulus). The non-linear soil behaviour for the shear stress versus distortion is also incorporated in the model. This feature allows to pinpoint the arching effect in the ground and shows how the stresses concentrate on stiff materials. Based on these principles, three dimensional program has been developed in order to solve the difficult problem of soil improvement by inclusions (stiff or soft). Also the possibility to take into account a flexible mat and/or a subgrade layer has been implemented. Equations used in the model are developed and a parametric study of the necessary data used in the program is presented. In particular, the Westergaard modulus notion and the arching effect are analysed.
This paper presents an experimental and analytical study on a steel slit damper designed as an energy dissipative device for earthquake protection of structures considering soil-structure interaction. The steel slit damper is made of a steel plate with a number of slits cut out of it. The slit damper has an advantage as a seismic energy dissipation device in that the stiffness and the yield force of the damper can be easily controlled by changing the number and size of the vertical strips. Cyclic loading tests of the slit damper are carried out to verify its energy dissipation capability, and an analytical model is developed validated based on the test results. The seismic performance of a case study building is then assessed using nonlinear dynamic analysis with and without soil-structure interaction. The soil-structure system turns out to show larger seismic responses and thus seismic retrofit is required to satisfy a predefined performance limit state. The developed slit dampers are employed as a seismic energy dissipation device for retrofitting the case study structure taking into account the soil-structure interaction. The seismic performance evaluation of the model structure shows that the device works stably and dissipates significant amount of seismic energy during earthquake excitations, and is effective in lowering the seismic response of structures standing on soft soil.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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