تحلیل لرزه‌ای سیستم خاک-ساختمان بتن مسلح در فضای زمانی با مدلسازی عددی انتشار موج لرزه‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده‌ مهندسی عمران، آب و محیط‌زیست دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران.

10.22091/cer.2024.9904.1513

چکیده

اندرکنش بین سازه، پی و خاک زیرین آن (بستر انعطاف‌پذیر) رفتار سازه را نسبت به حالت بستر صلب تغییر می‌دهد. روش مستقیم در تحلیل مسئله اندرکنش خاک- سازه به دلیل امکان مدل‌سازی رفتار غیرخطی سازه و خاک و رفتار واقعی سازه بخصوص در رویکرد طراحی براساس عملکرد از اهمیت بالایی برخوردار است. مدل‌سازی اجزای محدود مسئله اندرکنش خاک- سازه به روش مستقیم چالش‌هایی مانند مدل‌سازی صحیح محیط نیم‌بینهایت خاک با در نظرگرفتن اثرات اینرسی، میرایی تشعشعی، انتشار موج و اعمال مناسب و صحیح شتاب‌نگاشت زلزله به مدل در مرزهای بریده‌شده ناحیه دور همزمان با مرز جاذب انرژی را با خود به همراه دارد. در این مقاله، روش مستقیم با دقت بالا و در عین حال کاربردی برای رفع چالش‌های مذکور جهت اعمال در نرم‌افزارهای اجزای محدود معرفی می‌شود. این روش، براساس ترکیب روش کاهش دامنه با مرزهای جاذب لایزمر می‌باشد که پس از اعمال در نرم‌افزار اجزای محدود آباکوس راستی‌آزمایی می‌گردد. اختلاف پاسخ‌های حاصل از تحلیل به روش اندرکنشی پیشنهادی در این مقاله، با نتایج روش‌های اندرکنشی مرسوم وینکلر نشان داد که تحلیل اندرکنشی پیشنهادی از دقت بیشتری برخوردار است. در ادامه، برای نشان دادن قابلیت‌های این روش در حل مسائل متداول مهندسی، رفتار لرزه‌ای سه نوع سازه بتنی کوتاه، میان و بلندمرتبه تحت زلزله‌های مختلف تحلیل و پارامترهای محتوای فرکانسی زلزله، نوع خاک، حوزه زلزله به تفصیل بررسی گردید. نتایج تحلیل نشان داد که پارامترهایی نظیر محتوای فرکانسی، نوع خاک و حوزه زلزله بر میزان و روند پاسخ‌های تحلیل تأثیرگذار است. برای مثال، در این تحقیق به صورت کلی، پاسخ‌های سازه کوتاه‌مرتبه و زلزله‌های حوزه نزدیک بیشتر از سایر حالت‌ها به‌دست آمد. 

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Seismic Analysis of Soil-Concrete Structure System in Time Domain by Numerical Modeling of Earthquake Wave Propagation

نویسندگان [English]

  • Hosna Kianfar
  • Hamid Mohammadnezhad
Faculty of Civil, Water, and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran.
چکیده [English]

The behavior of a structure changes when it interacts with underlying soil, which acts as a flexible base, as compared to a rigid base condition. Given the importance of performance-based design, the direct method for soil-structure interaction (SSI) problem is essential for accurate characterization of the non-linear behavior of the soil and the structure. Using direct method in FE modeling of SSI problem poses several challenges. These include accurately representing the semi-infinite soil domain, accounting the inertia effects, radiation damping, and wave propagation, and properly applying earthquake ground motions at the boundaries, which coincide with the energy-absorbing boundaries. This article presents a precise and practical approach to tackle these difficulties, which is well-suited for implementation in FE software such as ABAQUS. This approach utilizes the combination of the domain reduction method (DRM) and Lysmer energy-absorbing boundaries. The accuracy of the model is assessed by some validations and compared by traditional Winckler's approaches; results showed the superior accuracy of the proposed approach. In addition, this method is used to demonstrate its efficiency in solving typical engineering issues. Furthermore, to demonstrate the capabilities of this method in solving engineering problems, seismic analyses of three types of concrete structures (low, mid, and high-rise) under various seismic scenarios are investigated. Seismic frequency content, soil type, and other parameters are examined. The analysis results demonstrate the substantial impact of mentioned characteristics on the structural reaction. In particular, the research findings suggest that low-rise structures show greater responses in comparison to other structures in this study.

کلیدواژه‌ها [English]

  • soil-structure interaction
  • radiation damping
  • seismic wave propagation
  • Domain Reduction Method
  • time history analysis

مراجع

[1] Chopra AK, Gutierrez JA. Earthquake response analysis of multistorey buildings including foundation interaction. Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 1974; 3(1): 65-77. doi: 10.1002/eqe.4290030106
[2] Bielak J. Modal analysis for building-soil interaction. Journal of the Engineering Mechanics Division. 1976 Oct; 102(5): 771-786. doi: 10.1061/JMCEA3.0002160
[3] Iguchi M. Dynamic interaction of soil-structure with elastic rectangular foundation. InProc. 5th Japan Earthq. Eng. Symp. 1978; 457-464. doi: 10.3130/aijs.63.69_3
[4] Asli SJ, Saffari H, Zahedi MJ, Saadatinezhad M. Comparing the performance of substructure and direct methods to estimate the effect of SSI on seismic response of mid-rise structures. International Journal of Geotechnical Engineering. 2019; 15(1), 81-94. doi: 10.1080/19386362.2019.1597560
[5] Fares R, Cruz DC, Foerster E, Lopez-Caballero F, Gatti F. Coupling spectral and Finite Element methods for 3D physic-based seismic analysis from fault to structure: Application to the Cadarache site in France. Nuclear Engineering and Design. 2022 Oct 1; 397: 111954. doi: 10.1016/j.nucengdes.2022.111954
[6] Derghoum R, Derghoum I. Nonlinear finite element analysis for seismic site amplification assessment of urban slopes showing surface geology and topography irregularities. Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2023 Mar 1; 166: 107729. doi: 10.1016/j.soildyn.2022.107729
[7] Ghaemian M, Noorzad A, Mohammadnezhad H. Assessment of foundation mass and earthquake input mechanism effect on dam–reservoir–foundation system response. International Journal of Civil Engineering. 2019 Apr 3; 17: 473-480. doi: 10.1007/s40999-018-0325-9
[8] Shaaban M, Abouelsaad MN, El Bagalaty S, El Madawy ME. Seismic analysis of RC high-rise buildings rested on cellular raft. Buildings. 2022 Nov 8; 12(11): 1924. doi: 10.3390/buildings12111924
[9] Cremonini MG, Christiano P, Bielak J. Implementation of effective seismic input for soil‐structure interaction systems. Earthquake engineering & structural dynamics. 1988 May; 16(4): 615-625. doi: 10.1002/eqe.4290160411
[10] Mohammadnezhad H, Zafarani H, Ghaemian M. Domain reduction method for seismic analysis of dam-foundation-fault system. Scientia Iranica. 2019 Feb 1; 26(1): 145-156. doi: 10.24200/SCI.2018.20696
[11] Mourad B, Sabah M. Comparison between static nonlinear and time history analysis using flexibility-based model for an existing structure and effect of taking into account soil using Domain Reduction Method for a single media. KSCE Journal of Civil Engineering. 2015 Mar; 19: 651-663. doi: 10.1007/s12205-015-0351-y
[12] Zhang W, Taciroglu E. 3D time‐domain nonlinear analysis of soil‐structure systems subjected to obliquely incident SV waves in layered soil media. Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 2021 Jul; 50(8): 2156-2173. doi: 10.1002/eqe.3443
[13] Daneshyar A, Mohammadnezhad H, Ghaemian M. Effect of seismic wave propagation in massed medium on rate-dependent anisotropic damage growth in concrete gravity dams. Frontiers of Structural and Civil Engineering. 2021 Apr; 15: 346-363. doi: 10.1007/s11709-021-0694-z
[14] Iranian code of practice for seismic resistance design of buildings: Standard no.2800, 4rd edition, Building and Housing Research Center, 2015. [In Persian]
[15] Massumi A, Tabatabaiefar HR. Effects of Soil-Structure Interaction on Seismic Behaviour of Ductile Reinforced Concrete Moment Resisting Frames'. InProceedings of World Housing Congress on Affordable Quality Housing (WHC2007) 2007 Jan.
[16] Karapetrou ST, Fotopoulou SD, Pitilakis KD. Seismic vulnerability assessment of high-rise non-ductile RC buildings considering soil–structure interaction effects. Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2015 Jun 1; 73: 42-57. 10.1016/j.soildyn.2015.02.016
[17] Kabtamu HG, Peng G, Chen D. Dynamic analysis of soil structure interaction effect on multi story RC frame. Open Journal of Civil Engineering. 2018 Oct 9; 8(4): 426-446. doi: 10.4236/ojce.2018.84030
[18] Kuhlemeyer RL, Lysmer J. Finite element method accuracy for wave propagation problems. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division. 1973 May; 99(5): 421-427. doi: 10.1061/JSFEAQ.000188
[19] Tahghighi H, Mohammadi A. Numerical evaluation of soil–structure interaction effects on the seismic performance and vulnerability of reinforced concrete buildings. International Journal of Geomechanics. 2020 Jun 1; 20(6): 04020072. doi: 10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0001651
[20] Gazetas G. Foundation vibrations. InFoundation engineering handbook, Boston, MA: Springer US. 1991; 553-593. doi: 10.1007/978-1-4757-5271-7_15
ارسال نظر در مورد این مقاله
CAPTCHA Image
پژوهش های زیرساخت های عمرانی

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از تاریخ 15 فروردین 1403

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار