This paper provides a simple numerical method to determine the optimal parameters of tuned mass damper (TMD) and viscoelastic dampers (VEDs) in frame structure for wind vibration control considering the soil-structure interation (SSI) effect in frequency domain. Firstly, the numerical model of frame structure equipped with TMD and VEDs considering SSI effect is established in frequency domain. Then, the genetic algorithm (GA) is applied to obtain the optimal parameters of VEDs and TMD. The optimization process is demonstrated by a 20-storey frame structure supported by pile group for different soil conditions. Two wind resistant systems are considered in the analysis, the Structure-TMD system and the Structure-TMD-VEDs system. The example proves that this method can quickly determine the optimal parameters of energy dissipation devices compared with the traditional finite element method, thus is practically valuable.
Frictional forces between soil and structural elements are of vital importance for the foundation engineering. Although numerous studies were performed about the soil-structure interaction in recent years, the approximate relations proposed in the first half of the 20th century are still used to determine the frictional forces. Throughout history, wood was often used as friction piles. Steel has started to be used in the last century. Today, alternatively these materials, FRP (fiber-reinforced polymer) piles are used extensively due to they can serve for long years under harsh environmental conditions. In this study, various ratios of low plasticity clays (CL) were added to the sand soil and compacted to standard Proctor density. Thus, soils with various internal friction angles (${\phi}$) were obtained. The skin friction angles (${\delta}$) of these soils with FRP, which is a composite material, steel (st37) and wood (pine) were determined by performing interface shear tests (IST). Based on the data obtained from the test results, a chart was proposed, which engineers can use in pile design. By means of this chart, the skin friction angles of the soils, of which only the internal friction angles are known, with FRP, steel and wood materials can be determined easily.
Seismic fragility curves for an offshore wind-turbine structure were obtained. The dynamic response of an offshore wind turbine was analyzed by considering the nonlinear behavior of layered soil and the added mass effect due to seawater. A pile-soil interaction effect was considered by using nonlinear p-y, t-z curves. In the analysis, the amplification effect of ground acceleration through layered soil was considered by applying ground motion to each of the soil layers. The vertical variation in ground motion was found by one-dimensional free-field analysis of ground soils. Fragility curves were determined by damage levels in terms of tower stress and nacelle displacements that were found from static pushover analysis of the wind-turbine structure.
Offshore platforms in seismically active areas must be designed to survive in the face of intense earthquakes without a global structural collapse. This paper scrutinizes the seismic performance of a newly designed and established jacket type offshore platform situated in the entrance of the Gulf of Suez region based on the API-RP2A normalized response spectra during seismic events. A nonlinear finite element model of a typical jacket type offshore platform is constructed taking into consideration the effect of structure-soil-interaction. Soil properties at the site were manipulated to generate the pile lateral soil properties in the form of load deflection curves, based on API-RP2A recommendations. Dynamic characteristics of the offshore platform, the response function, output power spectral density and transfer functions for different elements of the platform are discussed. The joints deflection and acceleration responses demands are presented. It is generally concluded that consideration of the interaction between structure, piles and soil leads to higher deflections and less stresses in platform elements due to soil elasticity, nonlinearity, and damping and leads to a more realistic platform design. The earthquake-based analysis for offshore platform structure is essential for the safe design and operation of offshore platforms.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.14
no.5
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pp.529-545
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2012
Three-dimensional (3D) finite element analyses have been performed to study the behaviour of a single pile to open face tunnelling in stiff clay. Several key factors such as tunnelling-induced ground and pile settlement, and shear transfer mechanism have been studied in detail. Tunnelling resulted in the development of pile settlement larger than the Greenfield soil surface settlement. In addition, due to changes in the shear transfer between the pile and the soil next to the pile with tunnel advancement, axial force distributions along the pile change drastically. The apparent allowable pile capacity was reduced up to about 30% due to the development of tunnelling-induced pile head settlement. The skin friction on the pile was increased with tunnel advancement associated with the changes of soil stresses and ground deformation and hence axial pile force distribution was reduced. Maximum tunnelling-induced tensile force on the pile was about 21% of the designed pile capacity. The zone of influence on the pile behaviour in the longitudinal direction may be identified as ${\pm}1$-2D (D: tunnel diameter) from the pile centre (behind and ahead of the pile axis in the longitudinal direction) based on the analysis conditions assumed in the current study. Negative excess pore pressure was mobilised near the pile tip, while positive excess pore pressure was computed at the upper part of the pile. It has been found that the serviceability of a pile experiencing adjacent tunnelling is more affected by pile settlement than axial pile force changes.
Numerical analysis using 3D finite element program (PLAXIS 3D) evaluated the interaction of soil - pile structure under dynamic surface loading. The dynamic p-y curve of the 1-g shaking table experiment by numerical analysis was calculated, and the parametric studies were presented by considering the pile-soil condition, the pile tip condition, and the loading condition. The frequency of 1.4 Hz is almost equal to the natural frequency of the pile - soil system. The p and y values of resonance phenomenon are significantly different from the results of other frequencies. The results can be summarized by a third order polynomial function representing the trend line in the p-y curve. In the case of a single pile, the shape of the dominant curve was found to be an ellipse by mathematical proof. The elliptic equation can be used for the dynamic design or analysis of soil-pile system.
In practice, analysis of laterally loaded piles is carried out using beams on non-linear Winkler springs model (often known as p-y method) due to its simplicity, low computational cost and the ability to model layered soils. In this approach, soil-pile interaction along the depth is characterized by a set of discrete non-linear springs represented by p-y curves where p is the pressure on the soil that causes a relative deformation of y. p-y curves are usually constructed based on semi-empirical correlations. In order to construct API/DNV proposed p-y curve for clay, one needs two values from the monotonic stress-strain test results i.e., undrained strength ($s_u$) and the strain at 50% yield stress (${\varepsilon}_{50}$). This approach may ignore various features for a particular soil which may lead to un-conservative or over-conservative design as not all the data points in the stress-strain relation are used. However, with the increasing ability to simulate soil-structure interaction problems using highly developed computers, the trend has shifted towards a more theoretically sound basis. In this paper, principles of Mobilized Strength Design (MSD) concept is used to construct a continuous p-y curves from experimentally obtained stress-strain relationship of the soil. In the method, the stress-strain graph is scaled by two coefficient $N_C$ (for stress) and $M_C$ (for strain) to obtain the p-y curves. $M_C$ and $N_C$ are derived based on Semi-Analytical Finite Element approach exploiting the axial symmetry where a pile is modelled as a series of embedded discs. An example is considered to show the application of the methodology.
Integral abutment bridges have many advantages over bridges with expansion joints in terms of economy and maintenance costs. However, in the design of abutments of integral bridges temperature loads play a crucial role. In addition, seismic loads are readily transferred to the substructure and affect the design of these components significantly. Currently, the European and American bridge design codes consider these two load cases separately in their recommended design load combinations. In this paper, the importance and necessity of combining the thermal and seismic loads is investigated for integral bridges. A 2D finite element combined pile-soil-structure interactive model is used in this evaluation. Nonlinear behavior is assumed for near field soil behind the abutments. The soil around the piles is modeled by nonlinear springs based on p-y curves. The uniform temperature changes occurring at the time of some significant earthquakes around the world are gathered and applied simultaneously with the corresponding earthquake time history ground motions. By comparing the results of these analyses to prescribed AASHTO LRFD load combinations it is observed that pile forces and abutment stresses are affected by this new load combination. This effect is more severe for contraction mode which is caused by negative uniform temperature changes.
Offshore pile foundations are prone to lateral soil pressures resulting from embankment construction for the reclamation on deepwater soft clay. Since the 1990s, offshore reclamation has actively progressed in Korea, connecting with the development of Songdo newtown, Incheon newport, and Busan newport representatively. Special attention has been given to lateral soil-structure interaction problems related to passively-loaded offshore pile foundations. Based on a plane strain large deformation finite element (LDFE) approach, this paper presents the results of investigation into undrained (short-term) and drained (long-term) behavior of passively-loaded offshore pile foundations. This study examines the effects of major factors, such as soil profile, pile head boundary condition, magnitude of embankment load, and average degree of consolidation. The results allowed quantification of differences in the magnitude of lateral soil pressure acting on the piles between undrained and drained phases.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.1
no.3
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pp.1-10
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1997
It is recognized that the dynamic of a structure is affected by the characteristics of the soil layer and foundation. However the design codes for the seismic design of structures are partially reflecting the caharcteristics of the soil layers due to the inherent complexity of them and the lack of systematic study results for the foundation-soil system, and leading to unconservative or too conservative results. In this study, the kinematic interaction effects of foundation-soil system was investigated for the seismic analyses of structures estimating the effects of the shear wave velocity, the depth of the soil layer, the embedment of a foundation and pile foundation, and the modified classification criteria of soil layers are proposed for the reasonable seismic analyses of structures considering the characteristics of soil layers and foundations. For the embedded medium or large foundations (including pile foundations), at least 60m soil layer below the foundation should be considered for the seismic analyses of structures to tate into account the kinematic interaction effects of the foundation-soil system, and also the rocking motion of foundation-soil system with or without piles should be included in the seismic analyses of structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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