Effects of non-linear soil-structure interaction on dynamic characteristics of structures supported on piles

Mahmoud N. Hussien, Mourad Karray, Tetsuo Tobita, Susumu Iai

In the proceedings of: GeoRegina 2014: 67th Canadian Geotechnical Conference

Session: Earth Walls and Foundations

ABSTRACT: A series of linear and non-linear seismic response analyses of soil-pile-structure systems is performed using two-dimensional finite elements, emphasizing on the vibrational characteristics of the coupled system. The interaction between the pile and the surrounding soil in three-dimensional type was idealized in the two-dimensional analysis using soil-pile interaction springs with hysteretic non-linear load displacement relationships. Soil models were idealized by multiple shear mechanism of hyperbolic type. The results indicate that soil-structure interaction effects were observed for coupled systems that comprise of stiff superstructures founded on flexible and/or long piles; leading to significant reductions in the effective natural frequency of the system, fSSI. The nonlinearity of the ground induces larger reduction in frequency ratio indicating the strong need to revisit the current interaction methodologies based on linear elastic SSI.

RÉSUMÉ: Une série danalyses de réponse sismique linéaire et non-linéaire de systèmes sol-pieu-structure est réalisée en utilisant des éléments finis en deux dimensions, et ce, en mettant l'accent sur les caractéristiques de vibration du système couplé. L'interaction entre le pieu et le sol environnant dans les trois dimensions est idéalisé dans l'analyse en deux dimensions en utilisant des ressorts d'interaction sol-pieu avec des relations charge-déplacement hystérétique non-linéaire. Les sols ont été idéalisés par un mécanisme de cisaillement multiple du type hyperbolique. Les résultats indiquent que les effets interaction sol-structure ont été observés pour les systèmes couplés qui constituent des superstructures rigides reposant sur des pieux flexibles et / ou longues; conduisant à des réductions significatives de la fréquence naturelle efficace du système, FSSI. La non-linéarité du sol induit une plus grande réduction du rapport de fréquence indiquant la forte nécessité de revoir les méthodes d'interaction actuels basés sur les analyses élastique linéaire SSI.

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