[논문 리뷰] A Macro-Element for Dynamic Soil-Structure Interaction Analyses of Shallow Foundations

Charisis Chatzigogos, Alain Pecker외 1명|ArXiv.org|2008. 03. 13.

Seismic Performance and Analysis참고 문헌 9인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 얕은 기초의 동적 지반-구조물 상호작용을 위한 매크로 요소 모델을 제안하며, 지반-구조물 상호작용을 기초 중심점 하나로 단순화하면서도 통합된 다기구 메커니즘 플라스티시티 프레임워크를 통해 재료 및 기하 비선형성을 포괄한다. 주요 기여는 지진 반응을 위한 극한 지지력 표면의 제작이며, 점성 소성 지반 위의 원형 기초를 통해 검증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 얕은 기초의 동적 지반-구조물 상호작용(Dynamic SSI)을 위한 단순화된 그러나 정확한 매크로 요소를 개발하기 위해.
• 복잡한 지반-구조물 상호작용 영역을 기초 중심점 하나로 단순화하여 계산 모델링을 용이하게 하기 위해.
• 동적 하중 하에서 재료 및 기하 비선형성을 통합된 플라스티시티 프레임워크 내에 통합하기 위해.
• 동적 자극 하에서 얕은 기초의 지진 지지력 표면을 정의하기 위해.
• 지진 지질공학 분야에서 얕은 기초의 효율적이고 신뢰할 수 있는 동적 해석을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 매크로 요소는 원형 기초의 중심점에서 전체 지반-구조물 상호작용을 하나의 점으로 모델링한다.
• 비선형 지반 거동은 복잡한 항복 및 하드닝 반응을 표현하기 위해 다기구 메커니즘 플라스티시티 수식을 사용하여 기록한다.
• 모델은 재료 및 기하 비선형성을 통합된 수학적 프레임워크 내에서 처리한다.
• 기초는 비균질이며 순수 점성 지반 반공간 위에 놓인 경직된 원형 기초로 이상화된다.
• 조화 또는 지진 자극 하에서 동적 반응을 분석하며, 극한 하중 용량에 중점을 둔다.
• 이전의 얕은 기초 거동에 대한 실험 및 분석 연구 기반으로 모델을 校정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 얕은 기초의 동적 지반-구조물 상호작용을 계산 분석을 위해 효과적으로 단순화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 동적 SSI에서 재료 및 기하 비선형성을 동시에 모델링하는 데 가장 적절한 방법은 무엇인가?
• RQ3 통합된 플라스티시티 프레임워크가 얕은 기초의 지진 지지력 특성을 어떻게 표현할 수 있는가?
• RQ4 동적 하중 하에서 파손을 정의하는 극한 표면의 주요 특성은 무엇인가?
• RQ5 점 기반 매크로 요소는 점성 지반 위의 얕은 기초의 동적 반응을 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 매크로 요소는 지반-구조물 상호작용 영역을 기초 중심점 하나로 성공적으로 단순화하여 효율적인 동적 해석을 가능하게 하였다.
• 다기구 메커니즘 플라스티시티의 사용은 동적 하중 하에서의 복잡한 비선형 지반 거동을 일관되게 모델링할 수 있게 하였다.
• 지진 반응을 위한 극한 지지력 표면이 정의되었으며, 이는 동적 자극 하에서의 극한 상태를 나타낸다.
• 모델은 단일 통합 수식을 통해 재료 및 기하 비선형성의 영향을 모두 포괄하였다.
• 초기 결과는 순수 점성 지반 위의 얕은 기초에 대해 이 접근법의 타당성과 정확성을 확인하였다.
• 이 제작은 향후 동적 SSI 해석 소프트웨어에의 구현을 위한 기초를 제공한다.