La Spezia, 1 Ottobre 2011
INTERAZIONE DINAMICA
TERRENO STRUTTURA DI
EDIFICI CON FONDAZIONI
SUPERFICIALI E PROFONDE
Carlo G. LAI, PhD
EUCENTRE
European Centre
for Training and Research
in Earthquake Engineering
Università
degli Studi di Pavia
Istituto Universitariodi Studi Superiori
di Pavia
2
Sommario
• Danni indotti da terremoti a sistemi fondazionali
• Interazione dinamica terreno-struttura
− generalità e concetti di base
− interazione cinematica ed inerziale e cinematica
− metodi di analisi: approccio diretto e tecnica delle sottostrutture
− interazione dinamica in fondazioni superficiali e profonde
• Esempi e casi studio
• Riferimenti bibliografici
3
Danni indotti da terremoti a
sistemi fondazionali
4
danni indotti da terremoti a fondazioni
Izmit, Turchia, 17 Agosto 1999 (M = 7.4)
Danni alla città di Adapazari
suolo rigido
5
danni indotti da terremoti a fondazioni
suolo soffice
Izmit, Turchia, 17 Agosto 1999 (M = 7.4)
Danni alla città di Adapazari
6
danni indotti da terremoti a fondazioni
suolo soffice
Izmit, Turchia, 17 Agosto 1999 (M = 7.4)
Danni alla città di Adapazari
7
danni indotti da terremoti a fondazioni
suolo soffice
Izmit, Turchia, 17 Agosto 1999 (M = 7.4)
Danni alla città di Adapazari
8
danni indotti da terremoti a fondazioni
suolo soffice
Izmit, Turchia, 17 Agosto 1999 (M = 7.4)
Danni alla città di Adapazari
9
danni indotti da terremoti a fondazioni
Rottura nel punto di connessione di una pila con un palo trivellato di un ponte all’interscambio
dell’autostrada “Golden State” con l’autostrada “Foothill” durante il terremoto di San Fernando
nel 1971 (da Penzien, 1971)
10
danni indotti da terremoti a fondazioni
11
danni indotti da terremoti a fondazioni
12
danni indotti da terremoti a fondazioni
13
danni indotti da terremoti a fondazioni
Terremoto di Kobe, Giappone, 1995
14
danni indotti da terremoti a opere sostegno
Terremoto di Niigata-ken Chuetsu 2004 (Giappone)
Koseki e al. (2005)
Danni a infrastrutture viarie dovuto a collasso di opere di sostegno
15
danni indotti da terremoti a opere sostegno
Tatsuoka (2006)
Tatsuoka (2006)
16
danni indotti da terremoti a opere sostegno
Terremoto di Chi Chi 1999 (Taiwan)
Fang et al. (2003)
Danneggiamento dovuto a ribaltamento
17
danni indotti da terremoti a opere sostegno
Terremoto di Chi Chi 1999 (Taiwan)
Vojoudi (2003) Danneggiamento dovuto a ribaltamento (Digha di Shin-Kang)
18
danni indotti da terremoti a opere sostegno
Tatsuoka (2006)
19
danni indotti da terremoti a opere sostegno
Terremoto di Chi Chi 1999 (Taiwan)
Fang e al. (2003) Terremoto di El Salvador 2001
Vojoudi (2003)
20
danni indotti da terremoti a opere sostegno
Danneggiamento a
strutture portuali
Vojoudi (2003) Nozu e al. (2004)
Terremoto di Kobe (Hyogo-ken
Nanbu) 1995 (Giappone)
21
danni indotti da terremoti a opere sostegno
Terremoto di Chi Chi 1999
(Taiwan)
Fang et al. (2003)
22
danni indotti da terremoti a opere sostegno
Terremoto di Chi Chi 1999 (Taiwan)
Vojoudi (2003) Danneggiamento dovuto a dislocazione di faglia
23
Interazione dinamica terreno-
struttura: aspetti generali
24
interazione dinamica terreno-struttura
DEFINIZIONE GENERALE DEL PROBLEMA:
“Interazione terreno-struttura è un termine usato per descrivere i fenomeni
che avvengono lungo la superficie di contatto di un elemento strutturale (ad
es. fondazione superficiale, fondazione su pali, muro di sostegno delle terre)
con il terreno circostante e caratterizzati dall’aspetto peculiare che gli sforzi
agenti lungo la superficie di contatto NON POSSONO essere definiti senza
simultaneamente determinare il campo di deformazione e spostamento
lungo la superficie di contatto“.
La peculiarità dell’interazione terreno-struttura è l’esistenza di un ACCOPPIAMENTO
tra “l’azione” (pressione di contatto) e la “reazione” (spostamento dei punti
all’interfaccia terreno-struttura) lungo la superficie di contatto per cui “l’azione” può
essere determinata solo CONGIUNTAMENTE alla “reazione”.
Il termine “interazione” è istruttivo del significato del fenomeno poiché
“l’azione” dipende dalla “reazione” e cioè dalla deformazione dell’interfaccia.
25
interazione dinamica terreno-struttura
DEFINIZIONE GENERALE DEL PROBLEMA:
La soluzione di un problema di interazione terreno-struttura richiede una
idealizzazione del comportamento di due sistemi:
• “la struttura”
• “il terreno”
e anche delle condizioni al contorno (o di interfaccia) (ad es. vincolo
unilaterale, interfaccia liscia, incollata, etc).
Il modello elastico lineare (o rigido-plastico) è una scelta naturale per
rappresentare il comportamento costitutivo dell’elemento strutturale.
Per quel che concerne il comportamento del “terreno”, il cosiddetto “modello
di Winkler” è tra le idealizzazioni più comuni.
Nella teoria dell’elasticità i problemi di interazione terreno-struttura fanno
parte della categoria dei “problemi di contatto”.
26
interazione dinamica terreno-struttura
DEFINIZIONE GENERALE DEL PROBLEMA:
In statica il modello di Winkler è composto da una distribuzione continua di
molle sconnesse lineari/non-lineari:
telaio in c.a. su suolo alla Winkler
27
interazione dinamica terreno-struttura
MODELLO DI SUOLO ALLA WINKLER
z
Kh(z)[u
S(z,t)-u(z,t)]
uS(z,t)
u(z,t)Pile
Displacement
Kh
Soil Deformation
Induced by
Seismic Excitation
tzutzuzK
t
tzuA
z
tzuEI
Sh ,,
,,2
2
4
4
Equazione del moto del palo
ESEMPIO:
28
interazione dinamica terreno-struttura
z
uS(z,t)
u(z,t)Pile
Displacement
Soil Deformation
Induced by
Seismic Excitation
p(z,t) z'
Soil Unknown
Reaction
1
MODELLO DI SUOLO ALLA MINDLIN
tzutzudztzptzzG
tzpt
tzuA
z
tzuEI
S
L
,,',',',
0,,,
0
2
2
4
4
Equazione del moto del palo
ESEMPIO:
29
interazione dinamica terreno-struttura
• Valutazione della risposta meccanica di una struttura ad una eccitazione esterna variabile nel tempo tenendo conto della: a) deformabilità del suolo e del sistema fondazionale
b) dissipazione di energia nel suolo per radiazione geometrica
c) dissipazione di energia nel suolo per inelasticità di quest’ultimo
d) inabilità della fondazione a conformarsi al moto di campo libero
kinematic interaction examples of excitations
radiation damping
DEFINIZIONE GENERALE DEL PROBLEMA:
30
interazione dinamica terreno-struttura
DEFINIZIONE DEL PROBLEMA: CASO DELLA SORGENTE SISMICA
Soil-Foundation
Structure System
Soil-Foundation
Structure System
(adapted from Gazetas and Mylonakis, 1998) (from Stewart et al., 1998)
31
interazione dinamica terreno-struttura
(from Gazetas, 1991)
DEFINIZIONE DEL PROBLEMA: CASO SORGENTE VIBRATORIA
32
interazione dinamica terreno-struttura
Come la presenza della struttura modifica il moto del terreno ?
roccia
terreno
moto di ingresso
in fondazione Moto in condizioni
di campo libero
METODI DI ANALISI:
33
interazione dinamica terreno-struttura
la risposta del terreno influisce sulla risposta della
struttura, e la risposta della struttura influisce sulla risposta
del terreno
interazione dinamica terreno-struttura
Due fenomeni:
Interazione Inerziale
La risposta inerziale della
struttura un taglio e un momento
alla base che causano
spostamenti della fondazione
rispetto al moto del terreno in
condizioni di campo libero
Interazione Cinematica
La presenza di fondazioni
rigide superficiali o
approfondite produce una
differenza tra il moto della
fondazione e quella del terreno
in condizioni di campo libero
METODI DI ANALISI:
34
interazione dinamica terreno-struttura
Due approcci:
Approccio diretto – modellazione terreno e struttura insieme
Richiede un adeguato
modello della
struttura e del terreno
in un unico codice di
calcolo
METODI DI ANALISI:
35
interazione dinamica terreno-struttura
Approccio diretto – modellazione terreno e struttura insieme
METODI DI ANALISI:
üff
üff üff
36
interazione dinamica terreno-struttura
Approccio diretto – modellazione terreno e struttura insieme
METODI DI ANALISI:
(from Macchi & Pavese, 1999)
• Caratteristiche generali:
- metodi discretizzazione FEM, BEM, SEM, ibridi
- onere computazionale elevato (analisi 3D)
- problema delle frontiere assorbenti
- problema “spaziatura” alle alte frequenze
- metodo rigoroso, ideale per analisi nonlineari
- risultati sensibili a incertezza parametri suolo üff
37
interazione dinamica terreno-struttura
Due approcci: Approccio delle sottostrutture – modellazione separata
IDTS Cinematica
IDTS Inerziale
Si possono usare diversi codici
per la risposta del sistema
fondazione-terreno e struttura
La sovrapposizione
richiede la linearità
METODI DI ANALISI:
38
interazione dinamica terreno-struttura
Metodo delle
sottostrutture
+
Da Mylonakis et al. (2006)
39
interazione dinamica terreno-struttura
• Caratteristiche generali:
- analisi è rigorosa per sistemi lineari (teorema
(di sovrapposizione, Kausel e Roësset, 1974)
- metodologia applicabile anche a sistemi
moderatamente non-lineari (analisi LE)
- principale vantaggio è flessibilità (ciascuna
fase di analisi è indipendente dalle altre)
- effetti interazione cinematica spesso ignorati
(non sempre questo è giustificato)
kinematic interaction
inertial interaction
(from Kramer, 1996)
Metodo delle sottostrutture
40
interazione dinamica terreno-struttura
• Interazione cinematica generalità e caratteristiche principali
(from Kramer, 1996)
- causata da una possibile incompatibilità tra gli spostamenti indotti dal sisma in condizioni
di campo libero e la rigidezza della fondazione che si oppone a subirli;
- tre sono i meccanismi per cui moto della fondazione è diverso da quello di campo libero: 1) regolarizzazione del moto del suolo in campo libero alla base di impronta della fondazione;
2) effetti dell’interramento della fondazione dovuti alla riduzione del moto sismico con la profondità;
3) scattering del campo d’onda in corrispondenza degli angoli e delle asperità della fondazione.
Metodo delle sottostrutture
41
interazione dinamica terreno-struttura
Metodo delle sottostrutture
• Interazione cinematica generalità e caratteristiche principali
- può indurre nel sistema fondazionale modi di vibrazione addizionali (per es. oscillazioni
flessionali e torsionali) non presenti nello moto di campo libero;
- effetti interazione cinematica più difficili da valutare rispetto a quelli interazione inerziale;
- nella valutazione interazione cinematica (FIM) si considerano nulle masse della struttura.
(from Kramer, 1996)
42
interazione dinamica terreno-struttura
Metodo delle sottostrutture
• Interazione cinematica definizione del “Foundation Input Motion”
ub(t)deconvoluzione
ub(t)deconvoluzione
ub(t)
uFIM(t)
interazione cinematica
ub(t)
uFIM(t)
interazione cinematica
ub(t)
uFIM(t)
ub(t)
uFIM(t)
interazione cinematica
1 2
43
interazione dinamica terreno-struttura
Metodo delle sottostrutture
• Interazione inerziale generalità e caratteristiche principali
(from Stewart et al., 1998)
- effetti prodotti dalla deformabilità e dissipazione energetica nel suolo del moto vibratorio
sulla risposta dinamica di una struttura;
- la valutazione degli effetti dell’interazione inerziale viene compiuta in due fasi: 1) calcolo delle funzioni di impedenza dinamica (FID) al livello della fondazione;
2) calcolo della risposta dinamica della sovrastruttura vincolata alla base dalle FID e soggetta a FIM.
funzioni impedenza dinamica
1 2
analisi dinamica
sovrastruttura
44
interazione dinamica terreno-struttura
Metodo delle sottostrutture
• Interazione inerziale generalità e caratteristiche principali
- funzioni di impedenza dinamiche (FID) sono a valori complessi; dipendono da frequenza;
- FID descrivono effetti caratteristiche rigidezza e smorzamento interazione suolo-struttura;
- effetti interazione inerziale sono spesso più pronunciati di quelli interazione cinematica.
(from Stewart et al., 1998)
45
interazione dinamica terreno-struttura
Metodo delle funzioni di impedenza dinamiche
- metodologia generale per definire la
risposta dinamica di una fondazione
- assimila il sistema suolo-fondazione ad un sistema a masse concentrate
- assume regime vibrazioni armonico
- facilmente generalizzabile a vibrazioni non armoniche con teorema di Fourier
- sono stati sviluppati abachi e codici di calcolo per fondazioni più comuni
• Caratteristiche generali:
(from Gazetas, 1991)
46
interazione dinamica terreno-struttura
Metodo delle funzioni di impedenza dinamiche
• Definizione:
)t(F)t(um)t(P zzz )t(u)t(P zz zKimpedenza dinamica verticale equazione di equilibrio dinamico
(from Gazetas, 1991) (from Gazetas, 1991)
47
interazione dinamica terreno-struttura
Metodo delle funzioni di impedenza dinamiche
• Definizione: equazione di equilibrio dinamico
0)t(F)t(u)t(um zzz zK
sistema ad un grado di libertà
)(Ci)(K)( zz zK
impedenza dinamica verticale
(from Gazetas, 1991)
(from Gazetas, 1991)
48
interazione dinamica terreno-struttura
Funzioni di impedenza: sistemi ad 1 grado di libertà
Sistema privo di massa
Interpretazione fisica della rigidezza
dinamica e dello smorzatore per il
grado di libertà verticale
49
interazione dinamica terreno-struttura
Metodo delle funzioni di impedenza dinamiche
• Generalizzazioni ad altri modi di vibrazione:
modi traslazionali (3); modi rotazionali (3) accoppiamento modo rotazionale-traslazionale
(from Gazetas, 1991) (from Gazetas, 1991)
50
interazione dinamica terreno-struttura
• Soluzioni disponibili: abachi e formule empiriche (Gazetas, 1991)
(from Gazetas, 1991)
Metodo delle funzioni di impedenza dinamiche
51
interazione dinamica terreno-struttura
• Soluzioni disponibili: abachi e formule empiriche (Gazetas, 1991)
(from Gazetas, 1991)
Metodo delle funzioni di impedenza dinamiche
52
interazione dinamica terreno-struttura
• Soluzioni disponibili: abachi e formule empiriche (Gazetas, 1991)
(from Gazetas, 1991)(from Gazetas, 1991)
(from Gazetas, 1991)(from Gazetas, 1991)(from Gazetas, 1991)(from Gazetas, 1991)
(from Gazetas, 1991)
Metodo delle funzioni di impedenza dinamiche
53
interazione dinamica terreno-struttura S
olu
zio
ni d
isp
on
ibili
abac
hi e
fo
rmu
le e
mp
iric
he
(Gaz
etas
, 199
1)
54
interazione dinamica terreno-struttura S
olu
zio
ni d
isp
on
ibili
abac
hi e
fo
rmu
le e
mp
iric
he
(Gaz
etas
, 199
1)
55
interazione dinamica terreno-struttura
Matrice 6 x 6 a valori complessi di funzioni di impedenza
3 coefficienti translazionali
3 coefficienti rotazionali
Coefficienti misti (fuori dalla diagonale principale
kv cv
Qv
kh kq
ch cq
M
Qh
Kv = kv + icv
Funzioni di impedenza dinamiche
56
interazione dinamica terreno-struttura
Funzioni di impedenza dinamiche
kv cv
kh kq
ch cq
uFIM
qFIM
Validità principio di
sovrapposizione – ipotesi
linearità
Richiede previa
determinazione del FIM
(Foundation Input
Motion)
(da Kramer, 2010)
57
interazione dinamica terreno-struttura
Effetto dell’interazione dinamica terreno – struttura
Modello semplificato
Spostamento
del terreno Spostamento
dovuto alla
traslazione
orizzontale
Spostamento
dovuto
all’oscillazione
Spostamento
dovuto alla
distorsione
della struttura
58
interazione dinamica terreno-struttura
Effetto dell’interazione dinamica terreno - struttura
Modello semplificato
qk
kh
k
k
T
T
u
2
1
~
30)/
~(
~~
TT
Incremento della flessibilità e
dissipazione della fondazione
Allungamento del
periodo
Incremento dello
smorzamento
59
interazione dinamica terreno-struttura
T/T ~
h/(VsT) Terreno rigido
Struttura flessibile
Terreno soffice
Struttura rigida
L’allungamento del periodo è
trascurabile per una struttura
flessibile su suolo rigido – i
suoi effetti sono sensibili con
l’incremento della rigidezza
relativa struttura/terreno.
Gli effetti IDTS sono piccoli per
strutture flessibili su siti rigidi,
ma significativi per strutture
rigide su terreni soffici.
60
interazione dinamica terreno-struttura
h/(VsT) Terreno rigido
Struttura flessibile
Lo smorzamento da radiazione è
trascurabile per una struttura
flessibile su suolo rigido – i suoi
effetti sono sensibili con
l’incremento della rigidezza
relativa struttura/terreno.
L’importanza relativa dello
smorzamento da radiazione
diminuisce con l’aumento del
rapporto h/r (incremento della
risposta di dondolio).
Gli effetti di IDTS sono piccoli
per strutture flessibili su siti
rigidi ma diventano significativi
per strutture rigide su siti soffici.
h/(VsT)
Terreno soffice
Struttura rigida
61
interazione dinamica terreno-struttura
qk
kh
k
k
T
T
u
2
1
~
30)/
~(
~~
TT
Incremento della flessibilità e dissipazione della fondazione: Allungamento del periodo Incremento smorzamento
IDTS può ridurre le
deformazioni strutturali
e i carichi
Effetto dell’interazione terreno - struttura
Modello semplificato
62
interazione dinamica terreno-struttura
qk
kh
k
k
T
T
u
2
1
~
30)/
~(
~~
TT
Incremento della
flessibilità e dissipazione
della fondazione
Allungamento del periodo
Incremento smorzamento
Effetto dell’interazione terreno - struttura
Modello semplificato IDTS può incrementare
lo spostamento totale
63
interazione dinamica terreno-struttura
Effetti benefici dell’interazione dinamica terreno-struttura sulle strutture:
(da Paolucci, 2010)
64
interazione dinamica terreno-struttura
IN SINTESI:
• IDTS non è significativa per il caso di strutture flessibili su suoli rigidi
• IDTS può essere importante per strutture rigide su soli deformabili
• Il periodo fondamentale di vibrazione di un sistema terreno-struttura è
più lungo di quello corrispondente ad una struttura incastrata
• Lo smorzamento effettivo di un sistema terreno-struttura è maggiore
del solo smorzamento strutturale
• Gli spostamenti totali possono aumentare per gli effetti di IDTS –
questo può essere importante per strutture alte ravvicinate
• Trascurare IDTS equivale ad assumere la struttura fondata su roccia
65
fondazioni profonde
PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE
In presenza di moto sismico, nei pali si sviluppano sollecitazioni dovute sia alle
forze inerziali trasmesse dalla sovrastruttura (interazione inerziale) sia
all’interazione tra palo e terreno (interazione cinematica).
È opportuno che i momenti flettenti dovuti all’interazione cinematica siano
valutati per le costruzioni di classe d’uso III e IV, per sottosuoli di tipo D o peggiori,
in siti a sismicità media o alta (ag > 0,25g) e in presenza di elevati contrasti di
rigidezza al contatto fra strati contigui di terreno.
Le analisi per la valutazione delle sollecitazioni e degli spostamenti dei pali (dovute
alle azioni inerziali e all’interazione cinematica) devono tener conto della rigidezza
flessionale del palo e della dipendenza della rigidezza del terreno dallo stato
tensionale e deformativo.
66
fondazioni profonde
PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE
Azioni cinematiche Azioni inerziali
(http://www.ce.washington.edu/)
67
fondazioni profonde
PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE
terremoto
di
progetto t
a
fondazioni
dirette
fondazioni
su pali
u0
livello
di falda
materiali
sabbiosi
sc iolti,
saturi
substrato
stabile
RESISTENZE DELLE SABBIE
IN ASSENZA DI TERREMOTO
RESISTENZE DELLE SABBIE
IN PRESENZA DI TERREMOTO
REQUISITI PROGETTUALI:
In aggiunta alle verifiche tradizionali delle fondazioni in campo statico
e sismico, occorrerà controllare che:
u indotte dal terremoto trascurabili, ovvero coeffic ienti di sicurezza
nei confronti della liquefazione 1.25
~
>
Fig. 1.4 - Viadotto su terreni granulari sciolti, saturi, in presenza di terremoto
68
fondazioni profonde
PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE
Per le fondazioni miste, di cui al § 6.4.3, l’interazione fra il terreno, i pali e la
struttura di collegamento deve essere studiata con appropriate modellazioni, allo
scopo di pervenire alla determinazione dell’aliquota dell’azione di progetto trasferita
al terreno direttamente dalla struttura di collegamento e dell’aliquota trasmessa ai
pali.
Nei casi in cui l’interazione sia considerata non significativa o, comunque, si ometta
la relativa analisi, le verifiche SLU e SLD devono essere condotte con riferimento ai
soli pali.
Nei casi in cui si consideri significativa tale interazione e si svolga la relativa analisi,
le verifiche SLU e SLD devono soddisfare quanto riportato ai §§ 6.4.3.4 e 6.4.3.5,
ove le azioni e le resistenze di progetto ivi menzionate sono da intendersi
determinate secondo quanto specificato nel presente capitolo 7.
69
fondazioni profonde
PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE
Azioni inerziali approccio delle sottostrutture = K + iC
70
fondazioni profonde
PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE
Azioni cinematiche
• Metodi semplificati
- NEHRP (1997)
- Dobry & O’Rourke (1983)
- Nikolaou et al, 2001
• Metodi dinamici semplificati
- DBWF
• Metodi dinamici avanzati
- FEM, FDM, SEM
Sovrastima dei risultati
71
fondazioni profonde
PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE
Azioni cinematiche
Azioni cinematiche indotte dal
sisma sui pali in terreni “stabili”
72
fondazioni profonde
PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE
Azioni cinematiche
Azioni cinematiche indotte dal
sisma sui pali in terreni “instabili”
73
fondazioni profonde
PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE
Azioni cinematiche
i
Cedimenti indotti dal sisma sui
pali in terreni “stabili”
74
fondazioni profonde
PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE
Metodi semplificati (Nikolaou et al, 2001)
La formula proposta da (Nikolaou et al, 2001) consente di valutare il momento
sollecitante del palo in corrispondenza dell’interfaccia fra due strati di diversa
rigidezza.
La formula non consente di valutare il momento agente lungo il fusto del palo.
La derivazione è stata ottenuta imponendo nelle analisi un’eccitazione sismica
stazionaria con frequenza prossima a quella fondamentale del deposito.
75
fondazioni profonde
PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE
5.0
1
2
65.0
1
3.0
3042.0
S
SPc
V
V
E
E
d
LdM
11max hac
Tensione caratteristica all’interfaccia
I pedici “1” si riferiscono sempre allo strato sup.
Limiti:
• inapplicabile per più di 2 strati
• non fornisce momento di incastro
• non fornisce info su alterazione moto sismico
• formule cautelative (sollecitazione armonica)
Nc= numero di cicli significativo
Metodi semplificati (Nikolaou et al, 2001)
76
Esempi e casi di studio
77
fondazioni profonde
Viadotto: cap
110 m luce
(photos by courtesy Eng. U. Hegg and C. Beltrami)
Bedrock alluvione EndEnd--bearingbearing
Large Diameter ShaftLarge Diameter Shaft (Caisson)(Caisson)
= 5= 5––12 m, H = 1512 m, H = 15––35 m35 m
EndEnd--bearingbearing
Large Diameter ShaftLarge Diameter Shaft (Caisson)(Caisson)
= 5= 5––12 m, H = 1512 m, H = 15––35 m35 m
Esempi applicativi: viadotto fondato su pozzi
78
fondazioni profonde
Ug
=
bedrock
soilKinematic Interaction
soil
UgUFIM
+
Inertial Interaction
UFIMImpedance Function
+
Kh Kq Khq Kh Kq Khq
Complete
solution
Frequency
dependence
bridge
FoundationInputMotion
Metodo delle sottostrutture
(da Beltrami, 2004)
Esempi applicativi: viadotto fondato su pozzi
79
fondazioni profonde
soil
eit
Kh=?, Kq=? Khq=?
eit
H Frequency dependence
3) Funzioni di impedenza dinamiche (DYNA4)
deformable bedrock
FIM = ?
üg=ugeit
deformable bedrock
FIM = ?
üg=ugeit
Oscillazione
!
Bedrock
Soil layersH
Rock outcrop Soil at free field
Bedrock
Soil layersH
Rock outcrop Soil at free field
1) Analisi di risposta sismica locale (SHAKE91)
2) Interazione cinematica
(da Beltrami, 2004)
Esempi applicativi: viadotto fondato su pozzi
80
fondazioni profonde
Esempi applicativi: viadotto fondato su pozzi
Vs=400 m/s b=5 % ROCKING FIM Vs=700 m/s b=5 %
El Centro N-S 1940, PGA 0.32g , H/R=5, bedrock: Vs=1200 m/s b=2.5 %
Validazione del modello: benchmark test con il codice di calcolo SASSI
81
fondazioni profonde
Esempi applicativi: viadotto fondato su pozzi
Esempio: effetti interazione cinematica viadotto
Transverse Shear Longitudinal Shear
With Rocking input
No Rocking input
Axial Force
Esempio: effetti interazione cinematica viadotto
Transverse Shear Longitudinal Shear
With Rocking input
No Rocking input
Axial Force
P1
P2P3
P1
P2P3
Sollecitazioni alla
base delle pile
Sforzo normale e taglio Tx, Ty
(da Beltrami, 2004)
82
fondazioni profonde
Esempi applicativi: viadotto fondato su pozzi
Transverse Moment Longitudinal Moment
Torsion
No Rocking input
With Rocking input
Transverse Moment Longitudinal Moment
Torsion
No Rocking input
With Rocking input
P1
P2P3
P1
P2P3
Sollecitazioni alla
base delle pile
Momenti flettenti Mxx, Myy e torcente
(da Beltrami, 2004)
83
interazione dinamica suolo-struttura
Analisi dinamica Torre Santa Maria Maggiore a Guardiagrele (Chieti)
18.4 m
Santa Maria Maggiore
Tower ModelN. elements 80 116Mosrly bricks but some wedges and shells
84
interazione dinamica suolo-struttura
Caratterizzazione meccanica dei materiali costituenti la Torre
First level
Ground level
Second level
First level
Ground level
Second level
85
interazione dinamica suolo-struttura
Caratterizzazione meccanica dei materiali costituenti la Torre
ContactBehaviour
Chains
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0.0% 0.1% 0.2% 0.3% 0.4% 0.5%
Stre
ss [M
Pa]
Total Strain
Stone Masonry
Fill
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Stre
ss [M
Pa]
Crack Displacement [mm]
Stone Masonry
Fill
Compression Tension
Masonry Behaviour
Thickness of the leaves of the “muro a sacco”are determined from a Endoscopy Study
ContactBehaviour
Chains
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0.0% 0.1% 0.2% 0.3% 0.4% 0.5%
Stre
ss [M
Pa]
Total Strain
Stone Masonry
Fill
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Stre
ss [M
Pa]
Crack Displacement [mm]
Stone Masonry
Fill
Compression Tension
Masonry Behaviour
Thickness of the leaves of the “muro a sacco”are determined from a Endoscopy Study
86
interazione dinamica suolo-struttura
Caratterizzazione geologica del sito di costruzione
Stralcio mappa geomorfologica di Guardiagrele (CH)
(da Di Francesco, 2007)
87
interazione dinamica suolo-struttura
Caratterizzazione geologica del sito di costruzione
88
interazione dinamica suolo-struttura
Caratterizzazione geotecnica del sito di costruzione
Parametri geotecnici da prove in sito e di laboratorio desunte da siti limitrofi
falda acquifera assente (da Di Francesco, 2007)
89
interazione dinamica suolo-struttura
Caratterizzazione geotecnica del sito di costruzione
Valori parametri dinamici ottenuti da prove geofisiche sismiche down-Hole
(da Di Francesco, 2007)
90
interazione dinamica suolo-struttura
Sismicità storica dell’area di studio
(da Di Francesco, 2007)
91
interazione dinamica suolo-struttura
Modellazione topografica del sito di costruzione
1206
0
40 80
Layering estimated from boreholes and outcrop inspection
Topography almost constant in the N-S
direction => 2D Model
Boreholes
1206
0
40 80
Layering estimated from boreholes and outcrop inspection
Topography almost constant in the N-S
direction => 2D Model
Boreholes
92
interazione dinamica suolo-struttura
Modellazione geotecnica e topografica del sito di costruzione
Input stress history compensated for absorbing boundary effect
1D columnmodel forlateralboundaries
1D columnmodel forlateralboundaries
Forces and velocitiesrecorded at boundaries
Action and Compensation at boundaries
Complete Topography Model
Tower Interface Model
Accelerogram recorded on rock site with Magnitude and Distance according to the expected Scenario and corrected for intensity corresponding the Hazard at the site.
Deconvolution
Input stress history compensated for absorbing boundary effect
1D columnmodel forlateralboundaries
1D columnmodel forlateralboundaries
Forces and velocitiesrecorded at boundaries
Action and Compensation at boundaries
Complete Topography Model
Tower Interface Model
Accelerogram recorded on rock site with Magnitude and Distance according to the expected Scenario and corrected for intensity corresponding the Hazard at the site.
Deconvolution
93
interazione dinamica suolo-struttura
ClaystoneVs = 350 m/sVp=1340 m/s
SandVs = 125 m/sVp=1280 m/s
Clayly LimeVs = 220 m/sVp=710 m/s
Refined mesh at the link
Equal DoFconstrain in Y direction
Lysmer-Kuhlemeyerboundaries in X and Z
N. Hex (Brick) Elements
114359
< 1% Damping between 2.5 & 18 Hz
At least 12 points per wavelength at 18 Hz (vertically only)
ClaystoneVs = 350 m/sVp=1340 m/s
SandVs = 125 m/sVp=1280 m/s
Clayly LimeVs = 220 m/sVp=710 m/s
Refined mesh at the link
Equal DoFconstrain in Y direction
Lysmer-Kuhlemeyerboundaries in X and Z
N. Hex (Brick) Elements
114359
< 1% Damping between 2.5 & 18 Hz
At least 12 points per wavelength at 18 Hz (vertically only)
Modellazione geotecnica del terreno e condizioni al contorno
94
interazione dinamica suolo-struttura
Definizione dell’azione sismica di progetto
Maximum Contribution to pgaMw 4.5-5.5R 0-10 km
Higher magnitudes are selected toestimate higher contribution at 0.5 s :Mw 5.5-6.5Longer distance to avoid near field effectsR 10-20 km
95
interazione dinamica suolo-struttura
Risorse computazionali e algoritmo di calcolo
Solution Scheme: Explicit Dynamics
Solver: Abaqus/Explicit (double precision)
Calculation Time Step: 5x10-5 s
Computer: 2 Xeon 5520 (2.27 GHz) 16 Threads
12 GB RAM
64 bits
Performance: ~6 increments per second
about 1 second of record in 1 hour of calculation
96
interazione dinamica suolo-struttura
Risultati preliminari (lavori in corso) analisi dinamica (ABAQUS)
N. Elements 211 111
N. Variables or DOF 723 588
N. Nodes 240 811
Velocity Plot m/s (Lateral walls are not displayed for simplicity)
For real EQ the plastic strains are checked as indication of damage Tower excited by a pulse
97
Riferimenti bibliografici
98
riferimenti bibliografici
• Libri di testo:
- Ansal, A. [2004]. “Recent Advances in Earthquake Geotechnical Engineering and
Microzonation.” Kluwer Academic Publishers, Vol.1, Edited by Ansal, A., pp. 354.
- Fang, H.Y. [1991]. “Foundation Engineering Handbook.”, VanNostrand Reinhold, 2a Ediz.
pp. 553, Chapter 15 - Foundation Vibrations by Gazetas, G.
- Kramer, S.L. [1996]. “Geotechnical Earthquake Engineering.”, Prentice-Hall, pp. 652.
- Wolf, J.P. [1985].”Dynamic Soil-Structure Interaction.”, Prentice-Hall, pp. 466.
- Wolf, J.P. & Song, C. [1996]. “Finite-Element Modeling of Unbounded Medium: Dynamic
Soil-Structure Interactions.” Wiley, John & Sons, pp. 350.
99
riferimenti bibliografici
• Manuali e rapporti:
- Caltrans [1999].”Seismic Soil-Foundation-Structure Interaction.” Final Report Caltrans
Advisory Board for California Department of Transportation, Sacramento, CA, 26/2/1999.
- Kaynia, A.M. [1982]. “Dynamic Stiffness and Seismic Response Groups.”, Research
Report R82-03, Department of Civil Engineering, Massachusetts Institute of Technology.
- Sieffert, J.G., Schmid, G., Tosecky, A. [2004]. “Soil-Structure Interaction and Foundation
Vibrations.” Lecture Notes for Master Course, Ruhr University at Bochum, Germany.
- Stewart, J.P., Seed, R.B., Fenves, G.L. [1998]. “Empirical Evaluation of Inertial Soil-
Structure Interaction Effects.”, Report No. PEER-98/07, University of California, Berkeley.
100
riferimenti bibliografici
- Gazetas, G. and Mylonakis, G. [1998]. “Seismic Soil-Structure Interaction: New Evidence
and Emerging Issues.”, Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics, Geo-
Institute ASCE Conference, Seattle 3-6 August.
- Hesham El Naggar, M. and Bentley, K.J. [2000]. “Dynamic Analysis for Laterally Loaded
Piles and Dynamic p-y Curves.” Canadian Geotechnical Journal 37: 1166-1183.
- Ishihara, K., Cubrinovski, M. [1998]. “Soil-Pile Interaction in Liquefied Deposits Undergoing
Lateral Spreading.” XI Danube-European Conference, Croatia, Keynote Lecture.
- Makris, N. and Gazetas, G.[1992]. “Dynamic Pile-Soil-Pile Interaction.”, Part II: Lateral and
Seismic Response.”, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol.21, p.145-162.
• Articoli:
- Mylonakis, G. and Nikolaou, A. [1997]. “ Soil-Pile-Bridge Seismic Interaction: Kinematic
and Inertial Effects. Part I: Soft Soil.”, Earthquake Engineering and Structural Dynamics,
Vol.26, 337-359.
- Stewart, J.P., Fenves, G.L., Seed, R.B. [1999]. “Seismic Soil-Structure Interaction
Buildings. Part 1: Analytical Methods. Part 2: Empirical Findings.”, Journal of Geotechnical
and Geoenvironmental Engineering, Vol. 125, No. 1, pp. 26-48.
101
riferimenti bibliografici
- Boulanger, R.W., Curras, C.J., Kutter, B.L., Wilson, D.W., Abghari, A. [1999]. “Seismic Soil-
Pile Structure Interaction Experiments and Analyses.”, Journal of Geotechnical and
Geoenvironmental Engineering, Vol. 125, No. 9, pp. 750-759.
- Cremer, C., Pecker, A., Davenne, L. [2002]. “Modelling of Nonlinear Dynamic Behaviour
of a Shallow Strip Foundation with Macro-Element.” Journal of Earthquake Engineering,
Vol. 6, No.2, pp. 175-211.
- Di Prisco, C., Nova, R., Perotti, F., and Sibilia, A. [2003]. “Analysis of Soil-Foundation
Interaction of Tower Structures under Cyclic Loading.” Ch. 5 in Geotechnical Analysis of
Seismic Vulnerability of Monuments and Historical Sites. M. Maugeri & R. Nova Ed. Pàtron.
- Faccioli, E., and Paolucci, R. [1996]. “Seismic Behaviour and Design of Foundations and
Retaining Structures – Flexible Retaining Structures.”, ECOEST & PREC 8, Europ. Comm.
• Articoli:
102
riferimenti bibliografici
• Codici di calcolo:
- FLAC [2010]. “Fast Lagrangian Analysis of Continua. “ Itasca. Harpaceas. Milano.
- DYNA5 [2002]. “A Computer Program for Calculation of Foundation Response to Dynamic
Loads.” Geotechnical Research Centre, The University of Western Ontario, Canada.
- FLUSH [1991]. “A Computer Code for Approximate 3-D Analysis of Soil-Structure
Interaction Problems.” NISEE, University of California, Berkeley.
- PLAXIS [2002]. “FEM Package for analysis of deformation and stability in geotechnics”.
Delft University of Technology, The Netherlands.
- SASSI [2000]. “A System for Analysis of Soil-Structure Interaction”, TAGAsoft, Engineering
Portal Ltd, SASSI2000, Oakland, California, USA.
103
riferimenti bibliografici
I casi-studio presentati sono tratti da lavori di tesi e di ricerche
scientifiche svolte da:
• Dr. Mirko Corigliano (ENEL)
• Ing. Marco Agosti (UNIPV)
• Ing. Luis Rosell (ROSE School)
• Prof. Spacone e Dr. Camata (UNICH)
• Ing. Carlo Beltrami (Lombardi-Reico)
Top Related