Dynamic soil-structure interaction for a caisson bridge foundation

Many researches on dynamic Soil-Structure Interaction (SSI) and strong earthquake ground motions have highlighted the fundamental role of the non-linear interaction between soil and structure and of the soil compliance on seismic analyses. Hence, the modern seismic design codes stipulate that the response analysis should be conducted by taking into consideration a whole structural system including superstructure, foundation and soil. This point of view has enhanced our curiosity in investigating numerical matters regarding the combination of structural and geotechnical topics. However, in everyday engineering practice, the design under seismic actions of superstructure-foundation-soil systems is still performed by neglecting the dynamic effects of SSI and by assuming a linear response of the foundation and the surrounding soil. This is due to the fact that there are still doubts and limited attention to dynamic SSI problems as well as challenging issues with computational cost and machine runtime in high level detailed numerical analyses. Particularly, the seismic behaviour of embedded foundations are usually designed on the basis of approaches proposed for shallow embedded systems or piles. Furthermore, in Eurocodes, the dynamic SSI problem is only mentioned and its development is not fully explained. For most common building structures, the effects of SSI tend to be beneficial, since they reduce the bending moments and shear forces in the elements of the superstructure. However, the effects of SSI might be negative in the following cases: structures in which second-order effects play a significant role, structures with massive or deeply buried foundations (such as wells of foundation of bridges, bodies of offshore structures and silos), tall, slender structures (such as towers and chimneys) and structures based on very deformable soils, with an average speed of propagation of shear waves less than 100 m/s, as in soils of type S1. In the proposed thesis, the Finite Element (FE) method is adopted by means of the software Abaqus/CAE that is an efficient and advanced numerical tool. These features allowed us to develop analyses in the non-linear field after evaluating the response of the system under the simplified hypothesis of linear soil behaviour that is typically suggested by the SSI literature studies. The aim of this dissertation is to develop a very detailed 3D non-linear FE procedure that can accurately simulate the dynamic response of embedded SSI systems under earthquake ground motions, according to performance-based-design. Particularly, the model takes into account non-linear soil behaviour, geometrical discontinuities at the interface between the two different materials (concrete and sand), different seismic input applications and inertial interaction effect since the kinematic interaction effect is out of the scope. In addition, an highly efficient numerical algorithm for the integration of the constitutive law at the discretized points of the soil domain is adopted. The study includes also the evaluation of the finite elements size as well as the evaluation of the discretized domain dimension for which proper transmitting boundaries are introduced to simulate the wave propagation in semi-infinite directions in presence of finite dimension domain. The object of the case study, hereby presented, is a bridge pier supported by an embedded caisson foundation and shows how the soil-structure system behaviour changes when a non-linear SSI analyses is performed with respect to the simplified case of linear soil behavior. Possible future developments of this study may consist of a more accurate modeling of the excavation stage of the caisson foundation, of the frictional interaction between the foundation surfaces and the soil, and of the mechanical behavior of the pier. Interestingly, the activation of a plastic hinge to the joint with the caisson foundation, lying on a clay layer, can lead to a reduction of the actions transmitted at the head of the caisson, limiting the activation of the plastic mechanisms of the foundation soil. Moreover, dynamic SSI problems are deeply affected by the geometrical properties. Thus, it might be very interesting studying the effects of different geometrical dimensions by means of a parametric study such as the influence of pier height and caisson slenderness on maximum and permanent displacement and rotation attained during the seismic shaking. This project leads to some final considerations. In the case of structural analysis, advantages are seen if the structure is less stressed lying on a good soil that plays the role of constraint and can plasticize, while a structure lying on an elastic soil, that does not have any dissipation resource, is for sure more stressed. However, this requires high computational costs that can be worth it especially on existing and peculiar structures such as massive and important bridges or nuclear plants. Despite the difficulties in assessing the elastic and plastic resources of a structure by knowing the exact geometry and the realization of it, this non linear dynamic SSI analysis can lead to advantages by avoiding very invasive and difficult interventions to carry out on these special systems.

Molte ricerche sull’Interazione dinamica Terreno-Struttura (ITS) e forti moti sismici hanno mostrato il ruolo fondamentale del terreno e delle non linearità nell’analisi sismica di terreno e struttura. I moderni codici di progettazione sismica stabiliscono che l’analisi di risposta debba essere condotta considerando l’intero sistema strutturale o infrastrutturale, che include la sovrastruttura, la fondazione e il terreno. Proprio dalla combinazione degli ambiti dell’ingegneria civile strutturale e geotecnica, è nata la nostra grande curiosità nell’indagare modelli numerici relativi a questo aspetto. Tuttavia, nella pratica ingegneristica quotidiana, la progettazione sotto le azioni sismiche dei sistemi di sovrastruttura-fondazione-terreno viene ancora eseguita trascurando gli effetti dinamici dell’ITS e assumendo una risposta lineare della fondazione e del terreno circostante. Ciò è dovuto al fatto che vi sono ancora dubbi e un’attenzione limitata ai problemi dinamici di ITS, nonché problematiche significative legate agli oneri computazionali quali costi e tempistiche di analisi nel caso di elevato livello di dettaglio di queste ultime. In particolare, il comportamento sismico delle fondazioni interrate è solitamente progettato sulla base di approcci proposti per sistemi poco profondi o pali. Inoltre, nell’Eurocodice, il problema dinamico ITS è solo menzionato e alcuna spiegazione è data circa la sua possibile implementazione. Per la maggior parte delle strutture comuni, gli effetti di ITS tendono ad essere vantaggiosi. Tuttavia, questi potrebbero essere negativi nei seguenti casi: strutture in cui gli effetti del secondo ordine svolgono un ruolo significativo, strutture con fondazioni massicce o profondamente interrate (come pozzi di fondazione di ponti, corpi di strutture offshore e silos), strutture alte e sottili (come torri e ciminiere) e strutture basate su terreni molto deformabili, con una velocità media di propagazione delle onde di taglio inferiori a 100 m/s, come nel caso di terreni di tipo S1. Nella tesi proposta, il metodo agli Elementi Finite (EF) è adottato mediante il software Abaqus / CAE che è uno strumento numerico efficiente e avanzato. Queste caratteristiche ci hanno permesso di sviluppare analisi nel campo non lineare, dopo aver valutato la risposta del sistema sotto l’ipotesi semplificata di comportamento del suolo lineare che è tipicamente suggerita dagli studi di letteratura di ITS. Lo scopo di questa tesi è quello di sviluppare una procedura ad EF 3D non lineare molto dettagliata in grado di simulare accuratamente la risposta dinamica dei sistemi ITS interrati durante l’azione di un sisma in accordo ad un approccio prestazionale. In particolare, il modello tiene conto del comportamento non lineare del terreno, delle discontinuità geometriche all’interfaccia tra i due diversi materiali (cemento e sabbia), delle diverse applicazioni di input sismico e dell’effetto di interazione inerziale, poiché l’effetto di interazione cinematica viene trascurato essendo escluso dallo scopo di tale studio. Inoltre, viene adottato un algoritmo numerico altamente efficiente per l’integrazione della legge costitutiva nei punti discretizzati del dominio del terreno. Lo studio comprende anche la valutazione della dimensione degli elementi finiti e della dimensione del dominio discretizzato per cui vengono introdotte speciali condizioni al contorno, al fine di evitare fenomeni di riflessione e rifrazione delle onde sismiche ai contorni del dominio di calcolo. L’oggetto del caso di studio, qui presentato, è una pila da ponte supportata da una fondazione a cassone interrata; si vuole dimostrare come il comportamento del sistema struttura-terreno cambi quando viene eseguita un’analisi ITS non lineare rispetto al caso semplificato di comportamento lineare del terreno. I possibili sviluppi futuri di questo studio possono consistere in una modellazione più accurata delle fasi di scavo della fondazione a cassone, dell’interazione attritiva tra le superfici della fondazione e il terreno e del comportamento meccanico della pila. Potrebbe essere interessante notare come l’attivazione di una cerniera plastica alla base della pila a contatto con il cassone, situato su uno strato di terreno argilloso, possa portare a una riduzione delle azioni trasmesse alla testa del cassone, limitando l’attivazione dei meccanismi plastici del terreno di fondazione. Inoltre, i problemi dinamici di Interazione Terreno-Struttura sono profondamente influenzati dalle proprietà geometriche. Perciò, potrebbe essere di grande interesse studiare gli effetti delle diverse dimensioni geometriche attraverso uno studio parametrico, come l’influenza dell’altezza della pila e della snellezza del cassone sullo spostamento e la rotazione massimi e permanenti durante l’evento sismico. In conclusione, in un'analisi elastica il comportamento del terreno non mi permette di scontare energia di deformazione e di conseguenza la struttura è più sollecitata. Effettuando analisi nel caso di sola struttura ove l'aspetto geotecnico non viene considerato direttamente, questa risulta sovradimensionata nel campo elastico mentre nel campo plastico, con un terreno sufficientemente buono che plasticizza effettivamente e continua a svolgere il ruolo di vincolo, immagazzina energia tale che la struttura risulti essere meno stressata. Questo aspetto porta a risultati più vantaggiosi dal punto di vista strutturale. Ciononostante, queste analisi dinamiche non lineari di ITS richiedono elevati costi computazionali e, in particolare, una conoscenza esatta della struttura e del metodo. Pertanto da qui sorgono alcuni problemi: in nuovi progetti, la struttura è nota ma i costi di calcolo sono così elevati che un'analisi ITS dinamica non lineare potrebbe non essere vantaggiosa. Questo problema tempo-denaro può essere trascurato se ovviamente la struttura in questione è peculiare e se considerare tutte le risorse possibili può essere conveniente nella progettazione della pila o della fondazione speciale in questione. Se, invece, si considera una struttura esistente, i problemi nascono dall'esatta conoscenza di essa stessa (come le armature della pila in calcestruzzo armato), che si traducono nella reperibilità dei disegni di progetto e nello svolgimento di innumerevoli indagini. Questa conoscenza è fondamentale per poter valutare l'esatto punto di plasticizzazione della struttura, e quindi le sue risorse plastiche ed elastiche, e può essere ammessa per una struttura importante per la quale tali analisi eludono interventi molto invasivi e difficili da eseguire.