Non-linear effects on the seismic response of buildings with foundation- structure interaction

This thesis deals with the non-linear dynamic soil-structure interaction (SSI) problem during seismic loadings. Namely, reference is made to the identification of potential sources of non-linearity and energy dissipation due both to the structure and to the soil-foundation during a strong earthquake. Changes in dynamic properties of the coupled soil/structure system may be related to different sources of non-linearity, e.g. non-linear behaviour of the structure, non-linear behaviour of soil/foundation system, non-linear behaviour between the soil and the structure. The identification of such different sources is an important issue in order clarify the role of non-linear dynamic soil-foundation-structure interaction on the seismic response of structures. Consequently, both structure and soil/foundation should be characterized by non-linear models, allowing to capture their complex non-linear interaction, and giving a reliable estimate of dynamic parameters, both at the structure and foundation level. The work is sub-divided in two main parts: (1) Part I: Identification of non-linear structural response of instrumented buildings in presence of SSI though data-earthquake analysis. An overview of methods based on processing empirical data for the identification of the dynamic response of buildings in presence of soil-structure interactions effects is firstly presented, considering both stationary (e.g. vibrational approach, waveform approach) and non- stationary approaches (e.g. time-frequency analysis). The advantages and limitations of both are also discussed. Then, an advanced tool for seismic records analysis is proposed to detect the non-linear seismic behaviour of structure in presence of SSI effects, which, if not properly accounted for, may lead to improper evaluation of the dynamic properties of the building and misinterpretation of their changes during an earthquake. The main advantage of the proposed method is that it allows to follow step by step the evolution of dynamic parameters, the variation of which, in case they occur, are reasonably associated with the degradation of the building stiffness. Such variations are considered as a global indicator of the occurrence of damage. The final objective of this first part is to provide a simple tool that is able to give information about the status of a building, based only on data-earthquake processing. The proposed tool can be potentially applied to structural monitoring for rapid post-earthquake surveys of critical/strategic structures. (2) Part II: Numerical modelling of the non-linear seismic response of foundations and its interaction with the superstructure through macro-element approach. A review of different non-linear soil-structure interaction modelling approaches is presented, with an emphasis on macro-element models. The formulation of an improved 3D macro-element model (Correia, 2013) for non-linear dynamic soil-structure interaction analyses of structures lying on the shallow foundation is reviewed aiming to underline the improvements related to the previous approaches. This is followed by an extensive overview of experimental results, collected in an international database, whose structure and organization is briefly described. Both large-scale shake table and reduced-scale centrifuge tests on the shallow foundation are presented. Subsequently, a comprehensive validation against the experimental dataset from worldwide laboratories is presented. As a result of a thorough validation process, an optimum set of macro-element parameters for the shallow foundation has been proposed, which can be used to perform predictive and parametric analyses on the seismic response of shallow foundation on sand. Finally, considering the original features of 3D macro-element, namely its implementation in seismic analysis code, numerical simulations are performed to evaluate the seismic response of an ideal RC frame structure on the shallow foundation. Both non-linear responses of the superstructure and of the foundation are accounted for, as well as different assumptions of the foundation response. The main objective of the second part is to contribute to improve the accuracy of numerical tools, calibrated by the increasing number of carefully controlled experimental results and to make feasible the practical application of dynamic non-linear foundation concepts to most interesting applications in earthquake engineering.

Il lavoro di tesi di seguito presentato affronta il problema dell'interazione dinamica non-lineare terreno-struttura durante eventi sismici. In particolare, si fa riferimento all'identificazione di potenziali fonti di non-linearità e dissipazione di energia dovute sia alla struttura che al sistema terreno-fondazione durante un forte terremoto. Infatti, una variazione delle proprietà dinamiche del sistema terreno-fondazione-struttura può essere causata da diverse fonti di non linearità, ad esempio, non linearità strutturali, non linearità del sistema fondazione-terreno. L'identificazione e la distinzione di tali fonti sono fondamentali per studiare il ruolo dell'interazione dinamica non lineare del sistema terreno-fondazione-struttura sulla risposta sismica di edifici. Di conseguenza, sia la struttura sia il sistema fondazione-terreno dovrebbe essere caratterizzato da modelli non lineari, che consentano di analizzare la loro complessa interazione non lineare e fornire una stima affidabile di parametri dinamici, sia a livello della struttura sia della fondazione. Il lavoro è suddiviso in due parti principali: (1) Parte I: Identificazione della risposta non lineare strutturale di edifici strumentati in presenza di interazione terreno-struttura mediante analisi di dati sismici. E’ presentata una panoramica dei metodi basati sull'elaborazione di dati empirici per l'identificazione della risposta dinamica di edifici strumentati, in presenza di effetti di interazione terreno-struttura. Sono descritti e discussi sia approcci stazionari (ad esempio approccio vibrazionale, approccio basato sulla propagazione delle onde) sia approcci non stazionari (ad esempio analisi tempo-frequenza) al fine di evidenziare i vantaggi e i limiti di tali metodi. In seguito, è proposta una tecnica avanzata basata sull’elaborazione di registrazioni sismiche al fine di identificare il comportamento dinamico non lineare della sola struttura in presenza di effetti interazione terreno-struttura. Non considerare adeguatamente tali effetti, può comportare una valutazione impropria delle proprietà dinamiche dell'edificio e un’errata interpretazione delle variazioni durante un terremoto. Il metodo proposto ha il vantaggio di fornire l'evoluzione temporale di parametri dinamici (in termini di velocità di propagazione e frequenza fondamentale). Nel caso avvenga una variazione di tali parametri, è ragionevole assumere che l’edificio sia soggetto a una degradazione della propria rigidezza a seguito dell’evento sismico. Tale variazione è considerata come un indicatore globale del verificarsi di danno strutturale. L'obiettivo finale di questa prima parte è di proporre uno strumento semplice, basato solo sull'elaborazione dei dati sismici, che sia in grado di fornire informazioni sullo stato di danno di un edificio a seguito di un evento sismico. Lo strumento proposto può essere potenzialmente applicato al monitoraggio strutturale per indagini rapide post-terremoto di strutture critiche / strategiche. (2) Parte II: modellazione numerica della risposta sismica non lineare delle fondazioni e dell’ interazione con la sovrastruttura attraverso un approccio basato sul macro-elemento. E’ presentato lo stato dell’arte degli approcci utilizzati nella modellazione dell’interazione non-lineare del sistema terreno-struttura, con particolare attenzione alla modellazione basata sul macro-elemento. E’ descritta la formulazione di un modello 3D di macro-elemento, proposto da Correia (2013) per l'analisi dinamica non lineare dell’ interazione terreno-struttura, in caso di fondazioni superficiali, al fine di sottolineare i miglioramenti relativi agli approcci precedenti. In seguito, è fornita un'ampia panoramica di risultati sperimentali di prove su tavole vibrante e in centrifuga, raccolti in un database internazionale. E’ stato condotto un completo processo di validazione del macro-elemento, basato su un ampio set di dati sperimentali di laboratori di tutto il mondo. Come risultato dell’approfondito processo di validazione, è stato proposto un set ottimale dei parametri del macro-elemento per fondazioni superficiali. Tale set può essere utilizzato per eseguire analisi predittive e parametriche sulla risposta sismica di fondazioni superficiali su sabbia. Infine, considerando le caratteristiche originali del macro-elemento, ovvero l’implementazione in un codice commerciale per le analisi sismiche, sono state condotte una serie di simulazioni numeriche per valutare la risposta sismica di una ideale struttura intelaiata. E’ presa in considerazione sia la risposta non lineare della sovrastruttura che della fondazione. Inoltre, sono state considerate differenti ipotesi sulla modellazione del sistema di fondazione. L'obiettivo principale della seconda parte è di contribuire a migliorare l'accuratezza di strumenti numerici, calibrati su un numero crescente di risultati sperimentali attentamente controllati, e rendere fattibile la pratica applicazione dell’interazione dinamica non lineare terreno-fondazione nelle applicazioni ingegneristiche.