Dynamic soil-structure interaction : simplified models for embedded foundations

In the framework of dynamic soil-structure interaction (SSI) problem, the thesis work discusses the reliability and accuracy of the Quasi-rigid foundation simplified approach applied to embedded foundations. The study of dynamic SSI problems is an important aspect of dynamic analysis of systems resting on soft soils, since the response of the structure is greatly influenced by the presence soil and vice versa. Sophisticated methods and simplified approaches have been developed: Direct method, the response is evaluated in one step in a unique model of the system; Substructure simplified approach, where the soil is replaced by springs and dashpots lumped in the centroid of the rigid foundation; The problem is solved evaluating the independent response of two subsystems and apply the superposition's theorem. The Quasi-rigid foundation proposed method is a simplified approach with a lower computational cost than Direct method, and higher accuracy than Substructure method. The foundation is assumed to be deformable within the structural modelling, but rigid with respect to the ground medium. The soil is replaced by a system of distributed local springs and dashpots in each node of the finite elements (FEs) of the foundation, defined on the base of global impedances. To validate the proposed approach, a nuclear reactor building is considered as case study. The foundation of the system is an embedded foundation of large plan size resting on a soft soil and the structure is seismically isolated at the base. The analysis carried out are modal analysis and direct steady-state analysis, in which the effect of a horizontal harmonic force is investigated. To discuss the proposed method in the framework of dynamic SSI problem four models are analysed: Quasi-rigid foundation model, Direct approach model, Substructure model and base-fixed model. The results are focused on the validation of the method and on the effect of the following aspects: the deformability of the foundation, the presence of isolation system, the foundation fixed and the choice of a reduced damping factor. All the numerical analyses are carried out through the FEs software ABAQUS®.

Nell'ambito del problema dell'interazione dinamica suolo-struttura (ISS), il presente lavoro di tesi studia l'affidabilità e l'accuratezza dell'approccio semplificato della fondazione quasi-rigida applicato alle fondazioni interrate. Lo studio dei problemi dinamici di ISS è un aspetto importante dell'analisi dinamica dei sistemi che poggiano su suoli soffici, poiché la risposta della struttura è fortemente influenzata dalla presenza del terreno e viceversa. Metodi sofisticati e approcci semplificati sono stati sviluppati: Metodo diretto, la risposta viene valutata con uno step su un unico modello del sistema; Approccio semplificato delle sottostrutture, dove il terreno è sostituito da molle e smorzatori concentrati nel baricentro della fondazione rigida; Il problema si risolve valutando la risposta indipendente di due sottosistemi e applicando il teorema di sovrapposizione degli effetti. Il metodo proposto della fondazione quasi-rigida è un approccio semplificato con un costo computazionale inferiore rispetto al metodo diretto e una maggiore precisione rispetto al metodo delle sottostrutture. Si ipotizza che la fondazione sia deformabile all'interno della modellazione strutturale, ma rigida rispetto al terreno. Il suolo è sostituito da un sistema di molle e smorzatori locali distribuiti in ogni nodo degli elementi finiti (EF) della fondazione e definito sulla base delle impedenze globali. Per validare l'approccio proposto, viene considerato come caso studio un edificio di un reattore nucleare. La fondazione del sistema è una fondazione interrata che poggia su un terreno soffice e la struttura è sismicamente isolata alla base. Le analisi svolte sono l'analisi modale e l'analisi steady-state diretta, in cui si indaga l'effetto di una forza armonica orizzontale. Per discutere il metodo proposto nell'ambito del problema dinamico delle SSI vengono analizzati quattro modelli: modello di fondazione quasi-rigida, modello di approccio diretto, modello delle sottostrutture e modello a base fissa. Oltre alla validazione del metodo, viene discusso l'effetto di alcuni aspetti: la deformabilità della fondazione, la presenza del sistema di isolamento, la fondazione fissa a terra e la scelta di un fattore di smorzamento ridotto. Tutte le analisi numeriche vengono effettuate tramite il software agli EF ABAQUS®.