Non-linear soil-structure interaction for 3D embedded systems under seismic excitation

In everyday engineering practice, seismic design of structures and infrastructures is usually performed by assuming a linear response of the foundation and of the surrounding soil. Nevertheless, recent strong earthquake ground motions and researches on Soil-Structure Interaction (SSI) have emphasized the fundamental role of the soil compliance and of non-linearities in soil-foundation systems on seismic analyses. Within the context of the performance-based design, non-linear SSI effects need further insights with respect to the present state-of-the-art and proper consideration in numerical approaches and methods. In addition, in SSI studies limited attention has been devoted to the seismic behaviour of embedded foundations, which are usually designed on the basis of approaches proposed for shallow embedded systems or piles. A contribution to the topic is proposed in the thesis, with special reference to foundations of large plane size such as those adopted in the nuclear industry, also tackling kinematic interaction effects and modelling of seismic input. To this aim, the Finite Element (FE) method is adopted as a robust, reliable and rigorous numerical tool. Taking advantage of these features, it is possible to avoid simplified assumptions and limitations to linear or equivalently linear soil behaviour, as frequently adopted in methodologies proposed in literature for dynamic analyses of SSI systems. In this light, the main purpose of the thesis is to develop a comprehensive three-dimensional non-linear FE procedure that can accurately simulate the dynamic response of embedded SSI systems under earthquake ground motions. The procedure accounts for non-linear soil behaviour, discontinuity conditions at soil-foundation interface, wave propagation patterns, kinematic and inertial interaction effects. The research aims at ensuring a balanced trade-off between accuracy and efficiency, rigour and feasibility of application. In detail, it focuses on the perspective of a reduction of computational costs, this being a key issue of the FE method. Interestingly, the ambitious optimal combination accounting for all these aspects requires the investigation of numerical matters and the integration of structural and geotechnical topics. In addition, the proposed comprehensive solution can be adopted to provide a contribution for renewing seismic design codes and regulations and for validating simplified approaches and methods proposed in literature. The assessment of reliable dynamic FE analyses with reasonable computational burden and machine runtime is a challenging issue. A contribution to the task is pursued in a global and a local way. For the first one, a novel two-step sub-structuring procedure, based on a modified version of the so-called Domain Reduction Method, is proposed and implemented in a FE code in order to reduce the extension of the discretized domain. The efficiency of the procedure is then improved from a local point of view by adopting an elegant theoretical formulation for the non-linear modelling of soil behaviour, which results in an extremely efficient numerical algorithm for the integration of the constitutive law at material points of the discretized soil domain. Numerical issues about requirements on both the size of finite elements and the extension of the discretized domain are also addressed, together with the introduction of proper absorbing boundaries in order to simulate the theoretical semi-infinite extension of the bounded discrete domain. All above mentioned aspects are given proper consideration in the research work and are implemented into a FE code in order to investigate the seismic response of embedded SSI systems. The case-study considered in the thesis refers to a nuclear reactor building provided with a seismic isolation system at its base and supported by an embedded foundation of large plane size. It is shown how the adopted formulation and the implemented numerical tools provide a contribution to the assessment and clarification of some main key issues regarding numerical FE modelling of SSI. Furthermore, due to the pursued integration of structural, seismic and geotechnical aspects, the comprehensive and versatile methodology proposed within the thesis can be extended to other dynamic SSI systems and adopted for the validation of simplified approaches and methods provided in literature.

Nella pratica ingegneristica corrente, la progettazione sismica di strutture e infrastrutture si basa sull’ipotesi di linearità della risposta dinamica della fondazione e del terreno circostante. Tuttavia, recenti eventi sismici e studi sull’Interazione Terreno-Struttura (ITS) hanno evidenziato il contributo fondamentale del terreno e delle non-linearità nell’analisi sismica di sistemi terreno-fondazione-struttura. Nell’ottica di una progettazione strutturale basata sulle effettive prestazioni dell’opera (“performance based design”), gli effetti non lineari dell’ITS richiedono ulteriori studi e indagini rispetto all’attuale stato dell’arte, nonché adeguate implementazioni in codici di calcolo numerico. In aggiunta, le ricerche sull’ITS hanno da sempre posto limitata attenzione al problema del comportamento dinamico di fondazioni interrate, le quali sono solitamente progettate sulla base di formulazioni e approcci proposti in letteratura per fondazioni limitatamente interrate o per pali. Alla luce di quanto riportato, la tesi offre un ulteriore contributo alla ricerca sull’ITS, ponendo particolare interesse al tema delle fondazioni interrate, quali quelle adottate in campo nucleare, e prestando attenzione alla modellazione della cosiddetta interazione cinematica e del segnale sismico. In quest’ottica, il metodo degli Elementi Finiti (EF) si configura come uno strumento rigoroso, affidabile ed efficace per l’analisi dinamica di sistemi terreno-struttura, poiché consente di evitare ipotesi semplificative e applicazioni limitate alla sola modellazione lineare o equivalentemente lineare del terreno, come solitamente effettuato nelle soluzioni proposte in letteratura. Nel contesto precedentemente illustrato, la tesi si pone come obiettivo principale lo sviluppo di una procedura computazionale a EF completa e dettagliata per l’analisi sismica non-lineare di sistemi tridimensionali terreno-fondazione-struttura, in grado di riprodurre fedelmente la risposta sismica di costruzioni dotate di fondazioni interrate considerando il contributo del terreno circostante. Tale procedura include la modellazione delle non-linearità del terreno, delle condizioni di discontinuità all’interfaccia terreno-fondazione, della propagazione delle onde sismiche nel terreno, dell’interazione cinematica e inerziale. Il metodo proposto assicura un adeguato equilibrio tra accuratezza ed efficienza, rigore e versatilità di applicazione, con particolare attenzione alla riduzione dell’onere computazionale, il quale rappresenta una delle principali limitazioni nell’adozione del metodo degli EF. È interessante notare come la combinazione dei fattori precedentemente citati implichi l’analisi e lo studio di alcune criticità legate alle implementazioni numeriche, nonché l’integrazione di tematiche strutturali e geotecniche. Si può inoltre osservare come una simile procedura possa essere adottata per contribuire all’aggiornamento delle normative sismiche e per la validazione di approcci e metodologie semplificati, proposti nella letteratura scientifica. La definizione di uno strumento efficace e affidabile per l’analisi dinamica a EF dell’ITS con costi computazionali limitati rappresenta una questione aperta e con interessanti risvolti applicativi. Un contributo alla problematica è perseguito nel lavoro di ricerca sia da un punto di vista globale, sia da un punto di vista locale. Nel primo caso, la riduzione dell’estensione del dominio di calcolo è effettuata attraverso la formulazione, e la successiva implementazione in un codice a EF, di una nuova procedura sotto-strutturata in due fasi computazionali e basata su una modifica del cosiddetto “Metodo di Riduzione del Dominio” proposto in letteratura. L’efficienza della metodologia è ulteriormente migliorata da un punto di vista locale mediante l’adozione di una nuova formulazione per la modellazione del comportamento non-lineare del terreno, la quale permette di definire un algoritmo numerico particolarmente efficiente per l’integrazione del legame costitutivo nei punti locali del dominio di calcolo. Inoltre, le problematiche numeriche riguardanti la dimensione degli elementi finiti e l’estensione del dominio di calcolo sono attentamente considerate, così come la modellazione delle condizioni al contorno, al fine di evitare fenomeni di riflessione e rifrazione delle onde sismiche ai contorni del dominio di calcolo. Gli aspetti precedentemente descritti sono ampiamente considerati nel lavoro di ricerca e sono implementati in un codice a EF allo scopo di analizzare la risposta sismica di un sistema terreno-struttura dotato di fondazione interrata. Il caso-studio considerato nella tesi è rappresentato dall’edificio di un reattore nucleare provvisto di una fondazione interrata di grandi dimensioni in pianta e isolato sismicamente alla base mediante dispostivi elastomerici armati. Si dimostra come l’adozione della procedura proposta nella tesi consenta di chiarire e approfondire alcune questioni di particolare interesse nell’ambito delle tematiche inerenti alle analisi dinamiche a EF di sistemi terreno-struttura soggetti ad azione sismica. Inoltre, grazie all’integrazione di aspetti strutturali, sismici e geotecnici, la procedura completa e versatile sviluppata nella tesi può essere proposta per applicazioni ad analisi dinamiche di altri sistemi terreno-struttura e adottata per la validazione di approcci semplificati proposti in letteratura per analisi sismiche.