This paper presents an advanced analytical approach for the design and analysis of fixed offshore structures with soil structure interaction considered. The proposed methodology involves conducting case studies to illustrate and assess the structural response of a structure considering seven different earthquakes, with the primary goal of ensuring there is no global collapse in the structures. The case studies focus on developing a model for structural analysis and its topside, incorporating nonlinear axial and lateral springs to capture soil-pile interaction. Additionally, mass and damping ratios are considered through the use of dashpots in the analyses. Finite Element Software was employed for structural analyses with detailed modeling, with soil spring nodes applied in the entire structure across various depths. After the finite element analysis was carried out, a sensitivity analysis was conducted to quantify and report the effects of different parameters.
Parametric studies for various site conditions by using 3d numerical model were carried out in order to estimate dynamic behavior of soil-pile-structure system in dry soil deposits. Proposed model was analyzed in time domain using FLAC3D which is commercial finite difference code to properly simulate nonlinear response of soil under strong earthquake. Mohr-Coulomb criterion was adopted as soil constitutive model. Soil nonlinearity was considered by adopting the hysteretic damping model, and an interface model which can simulate separation and slip between soil and pile was adopted. Simplified continuum modeling was used as boundary condition to reduce analysis time. Also, initial shear modulus and yield depth were appropriately determined for accurate simulation of system's nonlinear behavior. Parametric study was performed by varying weight of superstructure, pile length, pile head fixity, soil relative density with proposed numerical model. From the results of parametric study, it is identified that inertial force induced by superstructure is dominant on dynamic behavior of soil-pile-structure system and effect of kinematic force induced by soil movement was relatively small. Difference in dynamic behavior according to the pile length and pile head fixity was also numerically investigated.
Yi, Jin-Hak;Kim, Sun-Bin;Yoon, Gil-Lim;Andersen, Lars Vabbersgaard
Wind and Structures
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v.21
no.6
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pp.625-639
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2015
Monopiles have been most widely used for supporting offshore wind turbines (OWTs) in shallow water areas. However, multi-member lattice-type structures such as jackets and tripods are also considered good alternatives to monopile foundations for relatively deep water areas with depth ranging from 25-50 m owing to their technical and economic feasibility. Moreover, jacket structures have been popular in the oil and gas industry for a long time. However, several unsolved technical issues still persist in the utilization of multi-member lattice-type supporting structures for OWTs; these problems include pile-soil-interaction (PSI) effects, realization of dynamically stable designs to avoid resonances, and quick and safe installation in remote areas. In this study, the effects of PSI on the dynamic properties of bottom-fixed OWTs, including monopile-, tripod- and jacket-supported OWTs, were investigated intensively. The tower and substructure were modeled using conventional beam elements with added mass, and pile foundations were modeled with beam and nonlinear spring elements. The effects of PSI on the dynamic properties of the structure were evaluated using Monte Carlo simulation considering the load amplitude, scouring depth, and the uncertainties in soil properties.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.28
no.1
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pp.21-32
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2024
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 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.
Aseismic designs of pile-supported wharves are commonly performed utilizing simplified dynamic analyses, such as multi-mode spectral analyses. Simplified analyses can be useful for evaluating the limit state of structures. However, several pile-supported wharves, that have been damaged during past earthquakes, have shown that soil deformation and soil-pile dynamic interaction significantly affect the entire behavior of structures. Such behavior can be captured by performing nonlinear effective stress analyses, which can properly consider the dynamic interactions among the soil-pile-structure. The present study attempts to investigate the earthquake performance of a pile-supported wharf utilizing a three-dimensional numerical method. The damaged pile-supported wharf at the Kobe Port during the Hyogo-ken Nambu earthquake (1995) is selected to verify the applicability of the numerical modeling. Analysis results showed a suitable agreement with the observations on the damaged wharf, and the significant effect of excess pore pressure development and pile-soil dynamic interaction on the seismic performance of the wharf.
Three-dimensional continuum modeling of dynamic soil-pile-structure interaction embedded in a liquefiable sand was carried out. Finn model which can model liquefaction behavior using effective stress method was adopted to simulate development of pore water pressure according to shear deformation of soil directly in real time. Finn model was incorporated into Non-linear elastic, Mohr-Coulomb plastic model. Calibration of proposed modeling method was performed by comparing the results with those of the centrifuge tests performed by Wilson (1998). Excess pore pressure ratio, pile bending moment, pile head displacement-time history according to depth calculated by numerical analysis agreed reasonably well with the test results. Validation of the proposed modeling method was later performed using another test case, and good agreement between the computed and measured values was observed.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2009.09a
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pp.1441-1446
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2009
Numerical analysis is a powerful method in evaluating the soil-pile-structure interaction under the dynamic loading, and this approach has been applied to the practical area due to the development of computer technology. Finite Difference Method, one of the most popular numerical methods, is sensitive to the shape and the number of mesh. However, the trial and error approach is conducted to obtain the accurate results and the reasonable simulation time because of the lack of researches about mesh size and the number. In this study, FLAC 3D v3.1 program(FDM) is used to simulate the dynamic pile model tests, and the numerical results are compared with the 1G shaking table tests results. With the different size and shape of mesh, the responses of pile behavior and the simulation time are estimated, and the optimum mesh sizes in dynamic analysis of single pile is studied.
An efficient and accurate hybrid reliability analysis method is proposed in this paper to quantify the risk of an axially loaded single pile considering pile-soil interaction behavior and uncertainties in various design variables. The proposed method intelligently integrates the concepts of the response surface method, the finite difference method, the first-order reliability method, and the iterative linear interpolation scheme. The load transfer method is incorporated into the finite difference method for the deterministic analysis of a single pile-soil system. The uncertainties associated with load conditions, material and section properties of a pile and soil properties are explicitly considered. The risk corresponding to both serviceability limit state and strength limit state of the pile and soil is estimated. Applicability, accuracy and efficiency of the proposed method in the safety assessment of a realistic pile-soil system subjected to axial loads are verified by comparing it with the results of the Monte Carlo simulation technique.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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