Soil-pile-structure interaction analysis in the scattered field under seismic loading = 산란장에서의 지반-말뚝-구조물 상호작용해석
저자
발행사항
Seoul : Graduate School, Yonsei University, 2002
학위논문사항
학위논문(박사)-- Graduate School, Yonsei University : Dept. of Civil Engineering 2002.2
발행연도
2002
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
xxii, 174 p. : 삽도 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: Moon Kyum Kim
소장기관
본 연구에서는 산란장에서 지진하중을 받는 지반-말뚝-구조물 상호작용계에 대한 수치해석기법을 개발하는 것을 연구목적으로 한다. 일반적인 지진응답해석에서 가장 널리 쓰이는 방법은 자유장에서의 응답을 구하여 구조물의 입력으로 가정하여 구조물에서의 응답을 구하는 방법이다. 이와 같은 방법은 산란장에서의 응답이 자유장에서의 응답과 유사하다는 가정에 기초한 방법이다. 그러나 실제로 산란장에서의 응답이 자유장에서의 응답과 크게 다르지 않다는 것은 널리 알려진 사실이다. 따라서 산란장 효과를 고려할 수 있는 지반-말뚝-구조물 상호작용 해석기법의 개발은 필요한 실정이다.
전체 지반-말뚝-구조물 상호작용계를 내부영역과 외부영역으로 구분하였으며, 내부영역의 지반과 말뚝은 유한요소와 보요소를 이용하여 각각 모형화 하였다. 또한 지반과 말뚝사이의 접합면 거동을 고려하기 위하여 탄성스프링 요소를 사용하여 모형화 하였다. 외부영역의 지반은 반무한 영역에서의 방사조건을 만족시키는 주파수영역 다층반무한 기본해를 이용한 경계요소법을 이용하여 정식화 하였다. 내부영역과 외부영역은 각 영역의 접합면에서 변위적합조건을 적용하여 조합하므로서 전체 지반-말뚝-구조물 상호작용계를 모형화 하여 산란장에서의 지진응답해석을 수행할 수 있도록 하였다.
주파수영역에서 동적해석의 검증을 위해서 말뚝기초에 대한 강제진동해석과 지진응답해석을 수행하였다. 우선 강제진동해석을 수행하여 다층 반무한 지반상에서 수평방향과 수직방향의 조화하중에 대한 말뚝머리에서의 응답을 구하였다. 구해진 응답은 기존 문헌에서의 이론해 및 실험결과와 비교하여 제시한 지반-말뚝-구조물 상호작용해석기법의 타당성을 검증하였다. 두번째로 자유장지반에 대한 지진응답해석을 수행하여 그 결과를 일반적으로 널리 사용하는 상용프로그램의 결과와 비교하여 본 연구에서 제시한 지진응답해석기법에 대한 검증을 수행하였다. 지진시 지반의 비선형 거동을 고려하기 위하여 전단변형률에 따라 변화하는 전단탄성계수와 감쇠비를 반복계산을 수행함으로써 동적거동시 지반의 비선형 거동을 고려하게 되는 등가선형화 기법을 사용하였다. 마지막으로 다양한 조건의 말뚝기초에 대한 동적해석을 수행함으로서 전체 지반-말뚝-구조물 상호작용계의 동적거동특성을 분석하였다.
결과적으로, 산란장에서의 지반-말뚝-구조물 상호작용해석을 위한 수치해석적인 방법을 제시하였다. 개발된 방법은 경계요소와 유한요소의 장점을 취하도록 하였고 유한요소와 경계요소의 접합면에서 조합하여 전체 상호작용계를 모형화 하였다. 이러한 방법을 통하여 말뚝지지구조물의 지진응답해석을 수행할 수 있게 되었고 더 나가서 지진이 발생하였을 때 전체시스템의 거동에 좋은 영향을 미치는 말뚝의 길이와 물성치등을 예측하는데 도움을 줄 수 있을 것이다.
The major purpose of this study is to determine the dynamic behavior of soil-pilestructure interaction system in the scattered field. For this, a linear formulation in the frequency domain is presented. In general earthquake response analysis, free field responses are obtained by an appropriate ground response analysis method and then considered as input motions. Through this procedure which is commonly used one, structural responses are obtained. This procedure is based on the assumption that the scattering responses and free field responses are similar. But, it is well known that the responses of each field are different. So, the development of the soil-pile-structure interaction analysis method in the scattered field is needed for the determination of the accurate seismic response of structure.
For the consideration of the soil-pile-structure interaction system in multi layered half planes, the whole system is divided into two parts, so called the near field and the far field. Soil and piles in the near field are modeled using finite elements and beam-column elements, respectively. The effect of local linear interface conditions between soil and piles are considered using elastic spring elements.
Modeling of the far field soil media is implemented by taking a multi layered continuum as composed of hybrid boundary element that can automatically satisfy the radiation condition of wave. Also, the dynamic fundamental solution for multi-layered half planes in a frequency domain is adopted. Coupling of the near field and the far field is made by imposing a displacement compatibility condition at the interface.
For the verification of dynamic analysis in the frequency domain, both forced vibration analysis of soil-pile interaction system and free-field response analysis are performed. At first, the forced vibration analyses are simulated and the responses of the pile cap under horizontal and vertical harmonic loads are determined. The results are compared to the theoretical and experimental ones of relevant literatures for the verification of the proposed soil-pile interaction analysis method. Secondly, the free field response analyses are performed and compared to the results of commercial program for the verification of presented seismic response analysis method. The non-linearity of soil is considered using the equivalent linear approximation method, which considers the strain dependent shear modulus and damping ratio as an iterative procedure. Finally, various numerical analyses of pile supported structures with considering different conditions of soil-pile-structure interaction system are performed to examine the dynamic behavior of the whole system.
Consequently, a numerical implementation method for soil-pile-structure interaction analysis, which adopts the benefits of the boundary element method and finite element method are presented. Through this method, seismic response analyses of pile supported structures in the scattered field can be performed. Moreover it can help to decide the appropriate pile length, type and properties for the efficient performance when subjected to seismic ground motions.
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