A numerical approach to couple the simulation of earthquake ground motion with models for structural response at city level

During seismic events, soil motion is influenced not only by the seismic source and the geological aspects of the surrounding domain, but also by the presence of structures on the ground surface. As a matter of fact, soil-structure interaction effects can modify both ground and structural motion. The impact of buildings on soil motion is even more evident in presence of densely distributed structures, in which case site-city interaction effects also influence the response. In this thesis the theoretical aspects concerning these problems are analysed in detail, with the purpose of developing and validating a numerical algorithm capable of coupling the simulation of earthquake ground motion and structural response, with particular attention to the regional scale. The coupling algorithm is implemented as an additional module in SPEED (http://speed.mox.polimi.it/), an open-source library simulating wave propagation in soil through the Discontinuous Galerkin Spectral Element method. The interaction is implemented in two different ways: the structure is modeled either as a (non) linear single degree-of-freedom oscillator with a fixed base, exchanging interaction forces with soil in correspondence of the single contact node position, or as a four degrees-of-freedom oscillator, for which soil-foundation-structure interaction is directly included in the model. This code is validated through some preliminary tests and used to capture site-city interaction effects in a second set of simulations. The validation tests are based on simple geological configurations and include each implemented structural model. The second group of tests includes more complex case studies, for which soil heterogeneity and (non) linear clustered models are considered, with the purpose of capturing the interaction effects not only of the individual structure but also in the urban environment.

Durante un evento sismico, il moto del suolo è influenzato non solo dalla sorgente sismica e dagli aspetti geologici del dominio circostante, ma anche dalla presenza di strutture sulla superficie. Gli effetti di interazione terreno-struttura possono infatti modificare sia la risposta del suolo che quella strutturale. L'impatto degli edifici è ancora più evidente in presenza di gruppi di strutture a densità elevata, dove l'interazione è definita su scala urbana. In questa tesi vengono analizzati nel dettaglio gli aspetti teorici relativi a questi problemi, con lo scopo di sviluppare e convalidare un algoritmo numerico in grado di accoppiare la simulazione del moto del suolo e la risposta strutturale, in particolare su scala regionale. L'algoritmo di accoppiamento è implementato come modulo aggiuntivo in SPEED (http://speed.mox.polimi.it/), un codice open-source che simula la propagazione delle onde sismiche nel terreno attraverso il metodo Discontinuous Galerkin Spectral Element. L'interazione è implementata in due diversi modi: la struttura è modellata sia come un oscillatore (non) lineare a un singolo grado di libertà con base fissa, che scambia forze di interazione con il suolo in corrispondenza della propria base, sia come un oscillatore a quattro gradi di libertà, per il quale l'interazione suolo-fondazione-struttura è direttamente inclusa nel modello. Tale codice viene validato tramite alcune simulazioni preliminari e utilizzato per catturare gli effetti di interazione terreno-struttura in un secondo gruppo di simulazioni. I test di validazione si basano su semplici configurazioni geologiche e includono ciascun modello strutturale implementato. Il secondo gruppo di test comprende casi studio più complessi, per i quali vengono presi in considerazione eterogeneità del suolo e insiemi di strutture (non) lineari, allo scopo di catturare gli effetti di interazione non solo della singola struttura ma anche nel contesto urbano.