[논문 리뷰] 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)|2018. 08. 13.

Seismic Performance and Analysis참고 문헌 9인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 ABAQUS 기반 유한요소 모델링과 고유 FORTRAN 서브루틴을 활용하여 천천히 반복되는 하중 조건에서 얕은 기초의 기울기 거동를 시뮬레이션하며, 선형 및 비선형 지반-구조 상호작용(Sliding Shear Interaction, SSI)을 포함한다. 결과적으로 기초 기울기 현상은 강성 저하와 에너지 소산 증가를 유도하며, 특히 고층 구조물에서 두드러진다. 반면 선형 탄성-완전 플라스틱 지반 모델은 비선형 탄성-플라스틱 모델보다 더 큰 상승 변위를 예측하며, 이는 저층 건물에서 특히 두드러진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 천천히 반복되는 하중 조건에서 기초 기울기가 지반-구조 상호작용(Sliding Shear Interaction, SSI)에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 다른 지반 물성 모델(선형 대비 비선형 탄성-플라스틱)이 기울기 거동과 상승 거동에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 연약한 지반에 위치한 얕은 기초에서 기울기로 인한 시스템 강성과 에너지 소산 변화를 정량화하기 위해.
• 선형 탄성-완전 플라스틱 모델과 비선형 탄성-플라스틱 모델 간의 기초 상승 및 동적 반응 예측을 비교하기 위해.

제안 방법

• ABAQUS에서 구현된 유한요소법(Finite Element Method, FEM)을 사용하여 천천히 반복되는 하중 조건에서 얕은 기초의 기울기 거동을 동적 시뮬레이션하기 위해.
• 수치 프레임워크 내에서 선형 및 비선형 탄성-플라스틱 지반 거동을 모델링하기 위해 고유의 FORTRAN 서브루틴을 사용하였다.
• 지반-구조 상호작용(Sliding Shear Interaction, SSI)을 명시적으로 모델링하여 기초와 지반 간의 동적 결합을 포착하였다.
• 두 가지 지반 모델을 비교: 선형 탄성-완전 플라스틱 및 비선형 탄성-플라스틱으로, 상승 및 강성에 미치는 영향 평가.
• 지반-구조 시스템에 대한 지진 또는 풍하중에 의한 동적 자극 효과를 시뮬레이션하기 위해 천천히 반복되는 하중을 적용하였다.
• 분석은 기초 상승, 기초부력 감소 및 지반-구조 시스템 내 에너지 소산 등의 반응 매개변수에 집중하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 천천히 반복되는 하중 조건에서 기초 기울기가 지반-구조 시스템의 강성 및 에너지 소산 특성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 선형 탄성-완전 플라스틱 모델과 비선형 탄성-플라스틱 모델 간의 예측 상승 거동에는 어떤 차이가 있는가?
• RQ3 구조물의 높이가 기울기의 크기와 SSI에 대한 동적 영향에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 기울기가 지반-구조 시스템의 자연진동주기 연장과 기초부력 감소에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 지반 물성 모델의 선택이 얕은 기초에서 기울기 거동 예측 정확도에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 기초 기울기 현상은 고층 건물에서 특히 두드러지게 지반-구조 시스템의 강성 저하를 유도한다.
• 기울기 현상은 지반-구조 시스템의 에너지 소산을 증가시키며, 이는 더 높은 구조물에서 더욱 두드러진다.
• 선형 탄성-완전 플라스틱 지반 모델은 비선형 탄성-플라스틱 모델보다 더 큰 기초 상승 변위를 예측하며, 특히 저층 건물에서 두드러진다.
• 비선형 탄성-플라스틱 모델링은 반복 하중 조건 하에서 상승 및 회전 거동에 대해 더 현실적인 예측을 제공한다.
• 지반-구조 상호작용은 기초부력 요구량을 감소시키고 시스템의 기본 진동주기를 연장시키며, 기울기 현상이 이 행동에 핵심적인 역할을 한다.
• 저층 건물에서는 상승 변위가 덜 두드러지지만 모델링 가정에 더 민감하기 때문에, 기울기 반응의 동적 반응은 지반 모델의 비선형성에 더 민감하다.