The Role of Soil-Structure Interaction in Interpretation of Vibration Measurements on Continuous Viaducts

The scope of this thesis is to identify the significance of soil-structure interaction (SSI) and site response on the dynamic behaviour of continuous multi-span reinforced concrete viaducts, based on ambient vibration tests (AVTs) and numerical simulations with finite element models. For this purpose, a long bridge located in Central Italy, founded on piles in eluvial-colluvial soil deposit was instrumented and AVTs together with geophysical investigations were performed. Experimental modal properties were evaluated by means of operational modal analysis on recorded data and the role of SSI in the interpretation of the tests was detected by means of finite element models characterised by different accuracy in addressing the interaction problem. In the SSI models the local site condition in correspondence with each bridge piers were considered in the definition of soil-foundations impedances. Comparison between the experimental results obtained from AVTs on the free-field and on the viaduct deck, permits the identification of both predominant period of the site and the fundamental periods of the structure. In addition, comparisons between results obtained from the different numerical models with the measured dynamic response of the viaduct, in terms of fundamental frequencies and mode shapes, allow the identification of the contribution of different SSI aspects such as the pile-soil-pile interaction, the radiation problem, the pile cap embedment as well as the variability of the soil stratigraphy along the longitudinal direction of the viaduct. About the transverse behaviour, some tests were performed in correspondence with one pier, measuring accelerations of the foundation cap and the pier bent, to identify the contribution to the transverse modal displacement due to the elastic deflection of the pier and the foundation rocking. In addition, other two viaducts, with different characteristics respect to the previous one, were presented, for extending the study of SSI.

L’oggetto della tesi è lo studio dell’effetto dell'interazione terreno-struttura e della risposta di sito sul comportamento dinamico di viadotti continui a più campate, sviluppato sia sperimentalmente tramite misure di vibrazioni ambientali sia numericamente, tramite modelli raffinati agli elementi finiti. A tal fine, sono state eseguite prove di vibrazione ambientale su un ponte multi-campata, fondato su pali in un deposito eluviale-colluviale, caratterizzato dinamicamente da indagini geofisiche. Le proprietà modali sperimentali sono state valutate mediante l'analisi modale operativa sui dati misurati e il ruolo dell'interazione terreno-struttura nell'interpretazione dei test è stato riscontrato mediante modelli agli elementi finiti caratterizzati da diversa accuratezza nella modellazione delle fondazioni e dell’interazione con il terreno. Le impedenze tra fondazioni e terreno sono state definite a partire dalla condizione locale del sito in corrispondenza di ciascuna pila. Il confronto tra i risultati sperimentali ottenuti dalle prove sul terreno e sull’impalcato consente di identificare sia il periodo predominante del sito che i periodi fondamentali della struttura. Inoltre, il confronto tra i risultati ottenuti dai diversi modelli numerici con la risposta dinamica del viadotto, consente l'identificazione del contributo di diversi aspetti di interazione tra terreno e struttura come l’interazione tra le pile, il problema della dissipazione per radiazione, l'ingombro della zattera e la variabilità della stratigrafia del suolo lungo la direzione longitudinale del viadotto. Sono state eseguite alcune prove in corrispondenza di una pila del viadotto per identificare il contributo allo spostamento modale trasversale dovuto alla deformazione elastica delle pile e alla rotazione della fondazione. In aggiunta, vengono presentati altri due casi studio di viadotti con caratteristiche diverse al precedente, allo scopo di ampliare lo studio dell’interazione terreno-struttura.