[論文レビュー] Numerical modeling of rocking of shallow foundations subjected to slow cyclic loading with consideration of soil-structure interaction

S. Mohsen Haeri, Aria Fathi|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2018

Seismic Performance and Analysis参考文献 9被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、Abaqusを用いた有限要素解析にカスタムFORTRANサブルーチンを組み合わせ、ゆっくりとした循環荷重下における浅基礎の rocking挙動を、線形および非線形土木構造相互作用（SSI）を含めて模擬した。結果から、基礎のrockingは剛性低下とエネルギー散逸の増加を引き起こすことが判明した。特に高層構造物において顕著であり、線形弾性・完全ひずみ硬化土壌モデルは、非線形弾塑性モデルと比較して、特に低層建物においてより大きな浮上を予測した。

ABSTRACT

Strong Vibration of buildings during seismic or wind loading may result in an uplift or partial separation of the foundation from the underneath soil. To date, various researches have indicated that Soil-Structure Interaction (SSI) has many favorable features including a probable increase in natural period of the soil-structure system and also a decrease in shear base demand in structures. Furthermore, Rocking is one of the most important factors in describing the rotational behavior of a structure built on a shallow foundation especially on a soft soil which can affect the dynamic behavior of the structure noticeably. To study the effects of rocking of shallow foundations subjected to slow cyclic loading with consideration of soil-structure interaction, a Finite Element Method (FEM) using ABAQUS software has been deployed to simulate the rocking motion of shallow foundations. For a more efficient simulation of the soil, both linear and non-linear elasto-plastic behavior of the soil has been taken into account in the analysis using the sub-routine coded in FORTRAN. The results notably show that allowing the foundation to rock may result in stiffness degradation of the soil-structure system and an increase in energy dissipation of soil-structure, especially in high rise structures. Additionally, results describe that deploying the linear elastic-perfect plastic approach may result in higher uplift of the foundation in comparison to that using a non-linear elasto-plastic approach, particularly in structures with lower heights.

研究の動機と目的

• ゆっくりとした循環荷重下における基礎のrockingが土木構造相互作用（SSI）に与える影響を調査すること。
• 異なる土壌の本構成モデル（線形対非線形弾塑性）がrocking応答および浮上挙動に与える影響を評価すること。
• 軟弱な土壌上に設置された浅基礎におけるrockingに起因する系の剛性およびエネルギー散逸の変化を定量化すること。
• 線形弾性・完全ひずみ硬化土壌モデルと非線形弾塑性土壌モデルの間で、基礎の浮上および動的応答を予測する違いを比較すること。

提案手法

• Abaqusに実装された有限要素法（FEM）を用いて、ゆっくりとした循環荷重下における浅基礎のrocking挙動の動的シミュレーションを実施した。
• 数値フレームワーク内での線形および非線形弾塑性土壌挙動のモデル化に、カスタムFORTRANサブルーチンを用いた。
• 土木構造相互作用（SSI）を明示的にモデル化し、基礎とその下部土壌間の動的結合を捉えた。
• 2種類の土壌モデルを比較した：線形弾性・完全ひずみ硬化モデルと非線形弾塑性モデル。両者の浮上および剛性への影響を評価した。
• ゆっくりとした循環荷重を適用し、地震または風による動的励振の効果を浅基礎に模擬した。
• 解析は、基礎の浮上、底面せん断力の低減、土木構造系内でのエネルギー散逸といった応答パラメータに焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゆっくりとした循環荷重下における基礎のrockingは、土木構造系の剛性およびエネルギー散逸特性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 線形弾性・完全ひずみ硬化土壌モデルと非線形弾塑性土壌モデルの間で、予測される浮上応答にどのような差が生じるか？
• RQ3 構造物の高さは、rockingの大きさおよびSSIに与える動的影響にどのように寄与するか？
• RQ4 rockingは土木構造系の固有周期の延長および底面せん断力の低減に、どの程度寄与するか？
• RQ5 土壌の本構成モデルの選定は、浅基礎におけるrocking応答予測の正確性にどのように影響するか？

主な発見

• 基礎のrockingは、特に高層構造物において、土木構造系の顕著な剛性低下を引き起こす。
• rockingは土木構造系内のエネルギー散逸を増加させるが、特に高い構造物において顕著な影響を示す。
• 線形弾性・完全ひずみ硬化土壌モデルは、非線形弾塑性モデルと比較して、特に低層構造物においてより大きな基礎の浮上を予測した。
• 非線形弾塑性モデルは、循環荷重下における浮上および回転応答のより現実的な予測を提供する。
• 土木構造相互作用は底面せん断力の要求を低減させ、系の基本周期を延長するが、rockingがこの挙動の中心的役割を果たす。
• 低層構造物では、浮上が顕著でないが、モデル化の仮定に強く依存するため、動的応答は土壌モデルの非線形性により敏感である。