In this thesis, a 3D analytical model for the dynamic analysis of inclined pile groups is presented. The analytical formulation is derived in the frequency domain assuming that both piles and soil behave linearly; in particular, soil is modelled as a viscoelastic horizontally layered half-space and piles as Euler-Bernoulli beams. Under the assumptions that no gap arises during the motion the compatibility condition between the pile and soil is assumed. The pile-soil-pile interaction and the radiation damping is taken into account by means of elastodynamic Green’s functions. The equilibrium equations are derived in weak from by means of the Lagrange D’Alembert principle and the solution is achieved numerically with a displacement based finite element approach modelling pile with beam finite elements. The presence of a rigid cap is accounted for by constraining the displacements of the pile heads. The formulation is simplified introducing the Baranov’s assumption, namely by schematizing the soil as infinite independent horizontal layers and using expressions available in the literature (Green’s functions) to describe the dynamics of each layer. The model allows evaluating the kinematic response of pile groups with generic number of piles, generic layout and piles inclination. In particular, the motion of the pile cap (foundation input motion) and the stress resultants in piles due to the passage of harmonic shear or seismic waves in the soil may be computed; in the latter case, the incoming free field may be derived from local one dimensional or spatial (2D or 3D) analysis depending on the complexity of the soil deposit. Furthermore, the condensation of the problem on the rigid cap dofs allows obtaining impedances of the pile group; these may be used, in conjunction with the foundation input motion, to perform consistent soilstructure interaction analyses according to the substructure approach. The nonlinear soil behaviour may be captured by considering linear equivalent approaches, calibrating stiffness and damping consistently with soil strain levels. The model validation is carried out performing accuracy analyses and comparing results, in terms of dynamic impedances, kinematic response parameters and pile stress resultants, with those furnished by 3D finite element models or available in the literature from more rigorous approaches. The model revealed able to capture the horizontal, vertical, rotational and coupled roto-translational response of pile foundations with inclined piles, obtained from refined and highly computational demanding 3D finite element models. Furthermore, the kinematic response of the soil-foundation system as well the kinematic stress resultants along the piles due to propagating (seismic) shear waves have been predicted with satisfactory accuracy. Finally, in order to demonstrate the model versatility in performing soil structure interaction analyses of structures, a case study constituted by a single bridge pier supported by a group of 4 inclined piles is presented.

In questo lavoro di tesi viene presentato un modello per lo studio di fondazioni con pali inclinati. La formulazione analitica è sviluppata nel dominio delle frequenze, assumendo che i pali ed il terreno abbiano un comportamento lineare; in particolare si ipotizza che il terreno sia costituito da layer orizzontali viscoelastici, ed i pali da travi di Eulero-Bernoulli. Si ipotizza la compatibilità degli spostamenti dei pali e del terreno nell'ipotesi che non vi siano gaps durante il moto. L'interazione palo-terreno-palo e lo smorzamento per radiazione sono inclusi attraverso l'uso di funzioni elastodinamiche di Green. Le equazioni di equilibrio sono derivate in forma debole attraverso il principio di Lagrange D’Alembert, e la soluzione è stata ottenuta numericamente attraverso l'uso di una formulazione agli elementi finiti. La presenza della zattera rigida in testa ai pali è stata introdotta attraverso un vincolo cinematico. La formulazione è stata semplificata introducendo l'ipotesi di Baranov schematizzando il terreno come un mezzo costituito da layer orizzontali indipendenti tra loro e utilizzando espressioni disponibili in letteratura (funzioni di Green) per descrivere il comportamento dinamico di ogni layer. Il modello permette di valutare la risposta cinematica di una palificata costituita da un numero generico di pali, con geometria ed inclinazione anch'essi generici. In particolare il modello fornisce il moto di fondazione (foundation input motion) e le sollecitazioni nei pali, per il passaggio delle onde sismiche nel terreno; queste ultime possono essere calcolate attraverso una analisi di risposta locale monodimensionale o spaziale (2D e 3D) che tenga conto della reale stratigrafia del deposito. Inoltre la condensazione dei gradi di libertà nel vincolo rigido della zattera permette di ottenere direttamente le funzioni di impedenza dinamica del sitema terrenofondazione; queste possono essere utilizzate insieme al moto di fondazione per eseguire analisi di interazione terreno-struttura mediante un approccio per sottostrutture. Il comportamento non lineare del terreno può essere incluso attraverso un approccio lineare equivalente, calibrando rigidezza e smorzamento del terreno coerentemente con il livello di deformazione raggiunto durante il moto. La validazione del modello è stata eseguita attraverso analisi accurate, confrontando i risultati del modello, in termini di impedenze dinamiche, parametri di risposta cinematica e sollecitazioni nei pali, con quelli ottenuti da modellazione 3D agli elementi finiti o da modelli numerici più rigorosi disponibili in letteratura. Il modello si è rilevato capace di cogliere la risposta orizzontale, verticale, rotazionale e rototraslazionale di fondazioni con pali inclinati. Inoltre la risposta cinematica del sistema terreno-fondazione e le sollecitazioni cinematiche nei pali, dovute alle propagazione delle onde sismiche, sono colte con accurata precisione. In ultimo, al fine di dimostrare la versatilità del modello per affrontare analisi di interazione terreno struttura, è presentato un caso studio di una pila da ponte supportata da una fondazione su 4 pali inclinati.

Dynamic behaviour of deep foundations with inclined piles / Morici, Michele. - (2014 Mar 06).

Dynamic behaviour of deep foundations with inclined piles

Morici, Michele
2014-03-06

Abstract

In this thesis, a 3D analytical model for the dynamic analysis of inclined pile groups is presented. The analytical formulation is derived in the frequency domain assuming that both piles and soil behave linearly; in particular, soil is modelled as a viscoelastic horizontally layered half-space and piles as Euler-Bernoulli beams. Under the assumptions that no gap arises during the motion the compatibility condition between the pile and soil is assumed. The pile-soil-pile interaction and the radiation damping is taken into account by means of elastodynamic Green’s functions. The equilibrium equations are derived in weak from by means of the Lagrange D’Alembert principle and the solution is achieved numerically with a displacement based finite element approach modelling pile with beam finite elements. The presence of a rigid cap is accounted for by constraining the displacements of the pile heads. The formulation is simplified introducing the Baranov’s assumption, namely by schematizing the soil as infinite independent horizontal layers and using expressions available in the literature (Green’s functions) to describe the dynamics of each layer. The model allows evaluating the kinematic response of pile groups with generic number of piles, generic layout and piles inclination. In particular, the motion of the pile cap (foundation input motion) and the stress resultants in piles due to the passage of harmonic shear or seismic waves in the soil may be computed; in the latter case, the incoming free field may be derived from local one dimensional or spatial (2D or 3D) analysis depending on the complexity of the soil deposit. Furthermore, the condensation of the problem on the rigid cap dofs allows obtaining impedances of the pile group; these may be used, in conjunction with the foundation input motion, to perform consistent soilstructure interaction analyses according to the substructure approach. The nonlinear soil behaviour may be captured by considering linear equivalent approaches, calibrating stiffness and damping consistently with soil strain levels. The model validation is carried out performing accuracy analyses and comparing results, in terms of dynamic impedances, kinematic response parameters and pile stress resultants, with those furnished by 3D finite element models or available in the literature from more rigorous approaches. The model revealed able to capture the horizontal, vertical, rotational and coupled roto-translational response of pile foundations with inclined piles, obtained from refined and highly computational demanding 3D finite element models. Furthermore, the kinematic response of the soil-foundation system as well the kinematic stress resultants along the piles due to propagating (seismic) shear waves have been predicted with satisfactory accuracy. Finally, in order to demonstrate the model versatility in performing soil structure interaction analyses of structures, a case study constituted by a single bridge pier supported by a group of 4 inclined piles is presented.
6-mar-2014
In questo lavoro di tesi viene presentato un modello per lo studio di fondazioni con pali inclinati. La formulazione analitica è sviluppata nel dominio delle frequenze, assumendo che i pali ed il terreno abbiano un comportamento lineare; in particolare si ipotizza che il terreno sia costituito da layer orizzontali viscoelastici, ed i pali da travi di Eulero-Bernoulli. Si ipotizza la compatibilità degli spostamenti dei pali e del terreno nell'ipotesi che non vi siano gaps durante il moto. L'interazione palo-terreno-palo e lo smorzamento per radiazione sono inclusi attraverso l'uso di funzioni elastodinamiche di Green. Le equazioni di equilibrio sono derivate in forma debole attraverso il principio di Lagrange D’Alembert, e la soluzione è stata ottenuta numericamente attraverso l'uso di una formulazione agli elementi finiti. La presenza della zattera rigida in testa ai pali è stata introdotta attraverso un vincolo cinematico. La formulazione è stata semplificata introducendo l'ipotesi di Baranov schematizzando il terreno come un mezzo costituito da layer orizzontali indipendenti tra loro e utilizzando espressioni disponibili in letteratura (funzioni di Green) per descrivere il comportamento dinamico di ogni layer. Il modello permette di valutare la risposta cinematica di una palificata costituita da un numero generico di pali, con geometria ed inclinazione anch'essi generici. In particolare il modello fornisce il moto di fondazione (foundation input motion) e le sollecitazioni nei pali, per il passaggio delle onde sismiche nel terreno; queste ultime possono essere calcolate attraverso una analisi di risposta locale monodimensionale o spaziale (2D e 3D) che tenga conto della reale stratigrafia del deposito. Inoltre la condensazione dei gradi di libertà nel vincolo rigido della zattera permette di ottenere direttamente le funzioni di impedenza dinamica del sitema terrenofondazione; queste possono essere utilizzate insieme al moto di fondazione per eseguire analisi di interazione terreno-struttura mediante un approccio per sottostrutture. Il comportamento non lineare del terreno può essere incluso attraverso un approccio lineare equivalente, calibrando rigidezza e smorzamento del terreno coerentemente con il livello di deformazione raggiunto durante il moto. La validazione del modello è stata eseguita attraverso analisi accurate, confrontando i risultati del modello, in termini di impedenze dinamiche, parametri di risposta cinematica e sollecitazioni nei pali, con quelli ottenuti da modellazione 3D agli elementi finiti o da modelli numerici più rigorosi disponibili in letteratura. Il modello si è rilevato capace di cogliere la risposta orizzontale, verticale, rotazionale e rototraslazionale di fondazioni con pali inclinati. Inoltre la risposta cinematica del sistema terreno-fondazione e le sollecitazioni cinematiche nei pali, dovute alle propagazione delle onde sismiche, sono colte con accurata precisione. In ultimo, al fine di dimostrare la versatilità del modello per affrontare analisi di interazione terreno struttura, è presentato un caso studio di una pila da ponte supportata da una fondazione su 4 pali inclinati.
Pali inclinati
Modello elementi finiti
Impendenze
F.I.M.
File in questo prodotto:
File Dimensione Formato  
Tesi_Morici.pdf

Solo gestori archivio

Tipologia: Tesi di dottorato
Licenza d'uso: Non specificato
Dimensione 9.63 MB
Formato Adobe PDF
9.63 MB Adobe PDF   Visualizza/Apri   Richiedi una copia

I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.

Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/11566/242861
 Attenzione

Attenzione! I dati visualizzati non sono stati sottoposti a validazione da parte dell'ateneo

Citazioni
  • ???jsp.display-item.citation.pmc??? ND
  • Scopus ND
  • ???jsp.display-item.citation.isi??? ND
social impact