[論文レビュー] A Macro-Element for Dynamic Soil-Structure Interaction Analyses of Shallow Foundations

Charisis Chatzigogos, Alain Pecker+1 more|ArXiv.org|Mar 13, 2008

Seismic Performance and Analysis参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、浅基礎の動的土木構造相互作用（SSI）を簡略化してモデル化するマクロ要素モデルを提案する。土木構造相互作用界面を基礎の中心点に単一化し、統一されたマルチメカニズム弾塑性理論を用いて材料非線形性および幾何非線形性を捉える。主な貢献は、地震応答を想定した破壊耐力表面の定式化であり、この表面は粘性土に置かれた円形基礎を用いた検証を通じて裏付けられている。

ABSTRACT

The scope of the paper is to present some aspects of the development of a "macro-element" for dynamic soil-structure interaction analyses of shallow foundations. Initially the concept of "macro-element" is introduced and is illustrated with the aid of a very simple example originating from structural engineering. Then the link is made with the modeling of the dynamic response of shallow foundations and the objectives and structure of such a tool are described with reference to the specific configuration of a circular footing resting on the surface of a heterogeneous purely cohesive soil. The principal features of the "macro-element" are then presented; the soil-structure interaction domain is reduced to a point that coincides with the center of the footing and all the (material and geometric) non-linearities are lumped at this point. A discussion on the most appropriate way to treat these non-linearities is undertaken based on experience gained with earlier works. It is suggested that the non-linearities be incorporated in the model within a unified formalism making use of the theory of multi-mechanism plasticity. Initial results concerning the definition of the ultimate surface for such a plasticity model, corresponding to the seismic bearing capacity of the foundation, are finally presented.

研究の動機と目的

• 浅基礎の動的土木構造相互作用（SSI）を簡略化しつつも高精度にモデル化するマクロ要素の開発を目的とする。
• 複雑な土木構造相互作用領域を、基礎の中心点に単一化することで、計算モデルの簡略化を図る。
• 動的荷重下における材料非線形性および幾何非線形性を統一された弾塑性理論フレームワーク内で組み込む。
• 動的励振下における浅基礎の地震的耐力表面を定義する。
• 地震土木地盤工学分野における浅基礎の効率的かつ信頼性の高い動的解析を可能にする。

提案手法

• マクロ要素は、円形基礎の中心点に土木構造相互作用を単一の点としてモデル化する。
• 非線形な土の挙動は、複雑な降伏および硬化挙動を表現できるマルチメカニズム弾塑性形式を用いて捉える。
• モデルは、材料非線形性と幾何非線形性の両方を統一的な数学的枠組み内で扱う。
• 基礎は、不均質で純粋な粘性土半空間上に置かれた剛体円形基礎として理想化される。
• 動的応答は、調和励振または地震動励振の下で解析され、破壊耐力の上限に注目が向けられる。
• 定式化は、浅基礎挙動に関する先行する実験的および解析的研究に基づいてキャリブレーションされる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 浅基礎の動的土木構造相互作用を、計算解析に適した形で効果的に簡略化する方法は何か？
• RQ2 動的SSIにおいて、材料非線形性と幾何非線形性を併存させるために最も適切なモデル化手法は何か？
• RQ3 統一された弾塑性理論フレームワークが、浅基礎の地震的耐力にどのように対応できるか？
• RQ4 動的荷重下での破壊を定義する上限表面の主な特徴は何か？
• RQ5 点状のマクロ要素は、粘性土上に置かれた浅基礎の動的応答を正確に予測できるか？

主な発見

• マクロ要素は、土木構造相互作用領域を基礎の中心点に単一化することに成功し、効率的な動的解析を可能にした。
• マルチメカニズム弾塑性の使用により、動的荷重下における複雑な非線形土の挙動を一貫してモデル化できるようになった。
• 地震応答を想定した破壊耐力表面が定式化され、動的励振下での極限状態を表現した。
• モデルは、材料非線形性と幾何非線形性の両方の影響を、一つの統一的かつ包括的な形式で捉えた。
• 初期の結果から、純粋な粘性土上に置かれた浅基礎に対して、この手法の実現可能性と正確性が確認された。
• 定式化は、将来的な動的SSI解析ソフトウェアへの実装の基盤を提供する。