[논문 리뷰] Performance Enhancement of Soil-Structure Systems Using a Controlled Rocking

Aria Fathi, S. Mohsen Haeri외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 19.

Geotechnical Engineering and Soil Stabilization참고 문헌 35인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 지반-구조물 시스템에서 지반의 진동 성능을 향상시키기 위해 얕은 기초의 제어된 흔들림을 조사한다. 비선형 유한요소해석을 통해 회전 거동이 입력 지진 에너지를 크게 소산시킴을 입증한다 — 특히 연성 있는 지반에서 그렇다. 이는 고층 건물의 구조적 손상 감소와 복원력 향상에 기여한다.

ABSTRACT

Application of performance-based design (PBD) in earthquake geotechnical design codes has been gaining attention for the past decade. Strong vibrations (e.g., earthquake loading) may generate an uplift or a partial separation of shallow foundations from the underneath soil. To minimize the damage and keep the superstructure safe from the vibrations, a controlled rocking can be exploited. In this study, a finite element method is used to investigate the effect of nonlinear behavior of foundation geomaterial on the rocking behavior of soil-structure systems. To get a better insight about the rocking behavior of the soil-structure system, nonlinear elastic-perfectly plastic behavior is considered for the simulated geomaterial of the foundation. Next, a parametric study, using a wide range of geomaterials with different stiffness values, is conducted in accordance with high-rise structures with different configurations. The results indicate that a significant proportion of the input energy is dissipated by deploying rotational behavior of shallow foundations especially for the structures on softer geomaterials.

연구 동기 및 목표

• 얕은 기초의 제어된 흔들림을 통해 지반-구조물 시스템의 지진 성능 향상을 평가하기 위해.
• 동적 하중 하에서 기초 지반재료의 비선형 거동이 흔들림 거동에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 회전 기초 거동을 포함한 지반-구조물 시스템에서의 에너지 소산 메커니즘을 정량화하기 위해.
• 지반재료의 강성 변화가 고층 구조물의 동적 거동에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 제어된 흔들림 기초를 활용한 성능기반 지진공학 설계에 대한 설계 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 비선형 거동을 고려한 지반-구조물 상호작용을 모델링하기 위해 유한요소법(FEM)을 적용하였다.
• 기초 지반재료를 비선형 탄성-완전 플라스틱 거동 모델로 시뮬레이션하였다.
• 다양한 지반재료 강성 값에 대해 정성적 연구를 수행하였다.
• 동적 지진 하중 하에서 다양한 구성의 고층 구조물을 분석하였다.
• 흔들림 효과를 평가하기 위해 에너지 소산 및 기초 떨어짐 거동을 추적하였다.
• 성능 향상 평가를 위해 입력 에너지와 소산 에너지 비율을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 얕은 기초의 제어된 흔들림이 지반-구조물 시스템에서 에너지 소산에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 지반재료 강성이 흔들림 거동과 지진 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 지진 하중 하에서 기초의 떨어짐이 얼마나 구조적 손상 감소에 기여하는가?
• RQ4 지반재료의 비선형 거동이 시스템의 동적 거동에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 연성 있는 지반에서 제어된 흔들림이 초구조물에 입력되는 에너지를 뚜렷하게 감소시킬 수 있는가?

주요 결과

• 입력 지진 에너지의 상당 부분이 얕은 기초의 회전 거동을 통해 소산된다.
• 에너지 소산은 기초의 흔들림이 더 큰 구조적 요구를 감소시키는 연성 있는 지반에서 가장 효과적이다.
• 제어된 흔들림 메커니즘은 고층 구조물의 최대 기초부력과 층간 변위를 감소시킨다.
• 기초 지반의 비선형 재료 거동은 플라스틱 변형과 떨어짐을 통해 에너지 소산을 증폭시킨다.
• 정성적 결과는 기초의 흔들림이 더 낮은 강성 지반재료를 가진 시스템에서 더 효과적임을 보여준다.
• 이 연구는 제어된 흔들림이 성능기반 지진 설계에서 효과적인 수동 에너지 소산 메커니즘이 될 수 있음을 확인한다.