Analisi di interazione dinamica terreno-struttura di infrastrutture: confronto tra metodi avanzati e semplificati

Evaluating the seismic response of geotechnical systems is a complex engineering challenge due to dynamic soil-structure interaction (SSI) and site-specific earthquake ground response. State-of-the-art methods like coupled nonlinear dynamic analyses, which include in the same numerical model the structure, its foundation, and the surrounding soil, are widely recognized for their reliability but remain largely limited to the research context, with minimal application to actual infrastructure projects. In contrast, simplified seismic analysis methods that neglect dynamic interaction effects are widespread in ordinary design practice, often leading to either uneconomical or unsafe design solutions. Decoupled approaches, such as the substructure approach and modified Newmark methods, offer a balance by capturing main aspects of SSI while remaining less computationally demanding, making them particularly suitable for a potential implementation in design practice. This thesis compares the results of different seismic analysis methods by investigating two real-world case studies: an anchored sheet-pile quay wall in the port of Ravenna (Central Italy) and a pile foundation supporting a high-speed railway viaduct pier in the Venetian Plain (Northern Italy). 2D and 3D finite element models with soil nonlinear and hysteretic constitutive behavior are used to estimate seismic performance and define a benchmark solution. The results suggest that decoupled approaches, when properly calibrated and validated, can provide results comparable to those of more complex coupled analyses. However, its reliability under strong ground motions and in the presence of soils prone to liquefaction or cyclic softening still remains uncertain and requires further research. This work contributes to the advancement and validation of seismic analysis methods for geotechnical systems, hopefully providing valuable insights for both practitioners and academics.

Valutare il comportamento dei sistemi geotecnici in condizioni sismiche risulta una sfida complessa a causa della combinazione di effetti legati all'interazione dinamica terreno-struttura (DSSI) e alla risposta sismica locale del sito. I metodi avanzati, come le analisi dinamiche non lineari complete, che integrano in un unico modello numerico la struttura, la fondazione e il terreno, rappresentano teoricamente lo strumento ideale per assicurare l'affidabilità dei risultati. Tuttavia, una significativa complessità di implementazione ne limita ancora oggi l'impiego ai fini applicativi, relegandolo sostanzialmente ad un contesto di ricerca, con poche applicazioni nella progettazione di nuove infrastrutture. Al contrario, sono ampiamente diffusi nella pratica ingegneristica corrente i metodi di analisi sismica semplificati che, trascurando gli effetti di interazione dinamica, sovente conducono a soluzioni progettuali non ottimali dal punto di vista economico o della sicurezza. Gli approcci disaccoppiati, come l'approccio per sottostrutture e i metodi di Newmark modificati, rappresentano un buon compromesso, essendo in molti casi in grado di cogliere gli aspetti principali della DSSI pur risultando meno esigenti dal punto di vista computazionale. In questa tesi vengono confrontati i risultati ottenuti con i diversi metodi di analisi citati, esaminando due casi studio reali: una paratia ancorata nel porto di Ravenna e una fondazione su pali di una pila tipo di un viadotto ferroviario AV/AC nella Pianura Veneta. In particolare, per le analisi dinamiche complete sono stati utilizzati modelli agli elementi finiti 2D e 3D con comportamento non lineare e dissipativo del terreno al fine di stimare le performance delle opere e definire una soluzione di riferimento. I risultati ottenuti suggeriscono che, se correttamente calibrati e validati, gli approcci disaccoppiati possono fornire risultati paragonabili a quelli delle analisi complete. Una potenziale implementazione nella pratica professionale appare pertanto fattibile e promettente; tuttavia, l’affidabilità dell’approccio in presenza di terremoti molto intensi o di depositi a rischio liquefazione rimane ancora da provare, lasciando ampio spazio a sviluppi futuri.