TR Diss 1653(1)-Dieterman

  • View
    27

  • Download
    1

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Structure soil interaction

Text of TR Diss 1653(1)-Dieterman

  • DYNAMICS OF TOWERS

    Liquid - Structure - Foundation Interaction

    TR diss 1653

    H.A. DIETERMAN

  • DYNAMICS OF TOWERS

    Liquid-Structure-Foundation Interaction

  • DYNAMICS OF TOWERS

    Liquid-Structure-Foundation-lnterac

    .+ J's^r '

    < /

    o, tf *> 3 1 12 Prometho'Tolein 1

    t. i C DELFT

    PROEFSCHRIFT

    ter verkrijging van de graad van doctor aan de Technische Universiteit Delft, op gezag van de Rector Magnificus prof.drs. P.A. Schenck, in het openbaar te verdedigen voor een commissie aangewezen door het college van Dekanen, op dinsdag 6 september 1988 te 16.00 uur.

    door

    HARM ANJO DIETERMAN civiel ingenieur

    geboren te Nieuweschans

    TR diss 1653

  • Dit proefschrift Is goedgekeurd door de:

    Promotor : Prof.dr.ir. J. Blaauwendraad en de Copromolor: Prof.dr.ir. J.A. Battjes

  • ACKNOWLEDGEMENTS

    This thesis was prepared while the author was employed at the Faculty of Civil Engineering of the Delft University of Technology under supervision of Prof.dr.ir. J. Blaauwendraad and Prof.dr.ir. J.A. Battjes.

    For his suggestions and criticism during the realisation of part II of this thesis Prof.dr.ir. A. Verruijt is gratefully acknowledged.

    The investigations leading to this monograph were started under the supervision of my former teacher Prof.dr.ir. J.C. Schnfeld. Many of the results of our discussions have found their place in this thesis.

    Parts of the investigations have been carried out during a temporary stay at IBBC (Institute for Building Materials and Building Structures) of the TNO-Organization in The Netherlands. I wish to acknowledge the members of the Dynamics group in this institute for the inspiring environment.

    The permission of the Rijksgebouwendienst to use the dynamic measurements from a tower in Hoorn is gratefully mentioned.

  • CONTENTS Pag.

    Chapter 1. GENERAL INTRODUCTION

    1.1 Purpose and scope 1 1.2 Previous studies 2 1.3 Method of approach 2 1.4 Results 4 1.5 Outline of the thesis 5 1.6 References 7

    PART I: LIQUID-STRUCTURE INTERACTION

    Chapter 2. DYNAMIC BEHAVIOUR OF THE LIQUID

    2.1 Introduction 11 2.2 Continuous model 11 2 . 2 . 1 Liquid flow model 2 . 2 . 2 Boundary c o n d i t i o n s 2 . 2 . 3 General s o l u t i o n 2 . 2 . 4 Free o s c i l l a t i o n s 2 . 2 . 5 Forced o s c i l l a t i o n s 2.3 Equivalent lumped model 19 2 . 3 . 1 Model d e r i v a t i o n 2 . 3 . 2 Model s i m p l i f i c a t i o n 2.4 Conclusions 24 2.5 Appendix 24 2.6 References 26

    Chapter 3. THE SUPPORTING STRUCTURE

    3.1 Introduction 27 3.2 Continuous model 27 3.3 Lumped model 30 3.4 References 32

    Chapter 4. COUPLING OF LUMPED LIQUID AND STRUCTURE MODELS

    4.1 Introduction 33 4.2 Coupled lumped model for liquid, tank and support 33 4.3 Model validation 37 4 . 3 . 1 Introduct ion 4 . 3 . 2 Comparison to s c a l e model 4 . 3 . 2 . 1 The c a s e h /a = 0 4.3.2.2 The case h/a = 1/2 4.3.2.3 The case h/a = 1 4.3.3 Comparison to resonant frequency measurement of steel water tower

  • STELLINGEN

    1. Uit didactische overwegingen verdient het aanbeveling de massabalans in de Lagrange benadering van de mechanica meer expliciet op te stellen.

    2. Het inzicht, dat kennis van golfvoortplanting verschaft in het mechanische gedrag van lichamen, rechtvaardigt meer aandacht voor deze verschijnselen in het onderwijspakket van een "droge" civiel ingenieur.

    3. Het beheersen van het gedrag van civiel-technische systemen en constructies vereist dat er in de opleiding van de civiel ingenieur aandacht wordt besteed aan zowel de systeemtheorie als aan de meet- en regeltechniek.

    4. Het is niet mogelijk de eigenschappen massa en elasticiteit van een homogene een- respectievelijk driedimensionale elastische ruimte vast te stellen via een locale meting van de kracht en de kinematische grootheden.

    5. Bij een synthese van deelgebieden der mechanica onstaat verwarring over de symbolen en het jargon.

    6. Als een toren, die gefundeerd is op palen, dynamisch tot bezwijken wordt belast blijkt de uitdrukking "buigen of barsten" letterlijk van toepassing.

    6. De huidige stand van de wetenschap maakt het mogelijk tijdens het heien het draagvermogen van een heipaal te bepalen uit het gemeten dynamische gedrag.

    8. Bij relatief snelle belastingen leidt toepassing op een micro-schaal van globaal gemeten spannings-rek-reksnelheidsrelaties tot onjuiste resultaten.

    9. Beschouw een star lichaam Y, dat rust op een starre halfruimte S. Tussen Y en S veronderstellen we een droge wrijvingswisselwerking. Harmonische excitatie van Y door middel van een veer kan schokkende resultaten leveren.

    10. De stralingsweerstand van een harmonisch op torsie belaste plaat, die rust op een half-oneindige elastische ruimte, is gegeven in Richart e.a. [1970]. Volgens dit resultaat is de stralingsweerstand afhankelijk van de massadichtheid van de plaat. Dit is onjuist. "Vibrations of Soils and Foundations", Richart et.al., Prentice-Hall, 1970, 214 & 226.

    11. In de gezondheidszorg is een aanzienlijke besparing te bereiken als de wachttijd van patinten aan de specialist in rekening wordt gebracht.

  • 4.3.4 Comparison to observations of water towers of the classic type 4.4 Discussion 41 4.5 References 42

    Chapter 5. DAMPING AND STRUCTURAL CONTROL

    5.1 Introduction 43 5.2 Structural damping 44 5.3 Liquid damping 46 5 . 3 . 1 Damping of l i q u i d o s c i l l a t i o n s in u n b a f f l e d c y l i n d r i c a l t a n k s 5 .3 .2 Damping of l i q u i d o s c i l l a t i o n s in b a f f l e d c y l i n d r i c a l t a n k s 5 . 3 . 3 Model 5 .3 .4 V e r i f i c a t i o n 5.3.5 The effect of baffles on the dynamic behaviour of a water tower 5.4 Structural control 55 5 . 4 . 1 I n t r o d u c t i o n 5 .4 .2 Model 5 . 4 . 3 T h e o r e t i c a l r e s u l t s of t h e s c a l e model and e x i s t i n g water towers 5.5 Compartmentation 63 5.6 Discussion 64 5.7 Appendix 65 5.8 References 65

    PART II: STRUCTURE-FOUNDATION INTERACTION

    Chapter 6. FOUNDATIONS

    6.1 Introduction 68

    6.2 Summary of dynamics of foundations 70 6 . 2 . 1 Dynamics of non-embedded s h a l l o w f o u n d a t i o n s 6 . 2 . 2 Dynamics of embedded sha l low f o u n d a t i o n s 6 . 2 . 3 Dynamic p i l e - s o i l i n t e r a c t i o n 6 .2 .4 Dynamic p i l e - s o i l - p i l e i n t e r a c t i o n 6 . 2 . 5 Concluding remarks 6.3 Statics of the foundation components 80 6 . 3 . 1 I n t r o d u c t i o n 6.3.2 Static behaviour of axially loaded piles 6.3.3 Static behaviour of laterally loaded piles 6.3.4 Static pile group - cap interaction 6.3.5 Concluding remarks 6.4 The foundation-model 91 6.4.1 Basic equations 6.4.2 The rocking and lateral dynamic stiffness of a deep foundation 6.4.3 The rocking and lateral damping of a deep foundation

  • 6.5 Discussion 101 6.6 References 102

    Chapter 7. COUPLING OF LUMPED FOUNDATION AND STRUCTURE MODELS

    7.1 Introduction 109 7.2 Structure model I l l 7.3 Coupled model of structure and foundation 114 7 . 3 . 1 In troduct ion 7 . 3 . 2 Model s i m p l i f i c a t i o n s 7 . 3 . 3 Dynamic behaviour of the coupled system 7.4 Verification of the coupled model by measurements 118 7.4.1 Introduction 7.4.2 Tower parameters 7.4.3 The foundation and soil parameters 7.4.4 Model validation 7.5 Sensitivity analyses 129 7.5.1 Introduction 7.5.2 Sensitivity of the location of and amplification at the structural

    resonant frequency 7.5.3 Sensitivity of the location of and amplification at the additional

    resonant frequency 7 . 5 . 4 Concluding remarks 7.6 The effect or yielding of the axial pile shaft - soil interaction on the dynamic

    behaviour of towers 143 7 . 6 . 1 I n t r o d u c t i o n 7.6.2 Determination of the admittance at the pile.heads 7.6.3 Structural behaviour due to yield of axial pile shaft - soil

    interaction 7 . 6 . 4 Concluding remarks 7.7 Discussion 149 7.8 Appendix 150 7.9 References 154

    PART III: LIQUID-STRUCTURE-FOUNDATION INTERACTION

    Chapter 8. COUPLING OF LUMPED LIQUID, STRUCTURE AND FOUNDATION MODELS

    8.1 Model 157 8.2 Some aspects of llqud-structurefoundation interaction 160 8.3 Discussion 167 8.4 Appendix 167 8.5 References 170

  • Chapter 9. DISCUSSION AND CONCLUSIONS

    9.1 Discussion 171 9.2 Conclusions 172 9.3 References 174

    SUMMARY 175

    SAMENVATTING 177

    LIST OF SYMBOLS 180

    CURRICULUM VITAE 188

  • - 1 -

    CHAPTER 1: GENERAL INTRODUCTION

    1.1 Purpose and scope

    The purpose of this dissertation is to accomplish a synthesis of some methods of analysis from the fields of fluid mechanics, structural mechanics and soil mechanics concerning the dynamic behaviour of structures .

    Many civil engineering structures are placed in environments where they interact not only with the soil by their foundation but also with the fluid inside or outside the structure. Examples are offshore structures, water treatment plants, water towers, etc.

    In this thesis the dynamic behaviour of systems incorporating liquid-structure and structure-foundation interaction will be studied. To that end a water tower based on a rigid foundation and a tower and water tower based on a deep foundation will be examined. The model derived will incorporate the liquid-structure-foundation interaction.

    Lateral and rocking vibration in a vertical plane are considered, as depicted in fig. 1.1. The study has been confined to the low frequency band of interest for the dynamic behaviour of civil engineering structures.

    Fig. 1.1 Types of towers studied; lateral and rocking vibration

    The study of the interaction of a structure with its environment