Analisi dinamica agli elementi finiti di una pila isostatica fondata su pali per un viadotto dell'Alta Velocità ferroviaria

For the case study of a high-speed railway bridge, this work presents the Dynamic Soil-Structure Interaction Analysis of a pier on pile foundation using both the “direct” and “substructure” approach. The first is based on a coupled 3D finite element model of the soil-foundation-structure system, in which the nonlinear behavior of the soil is described by an elastoplastic constitutive law with hardening and hysteretic properties, while the second relies on a visco-elastic Lumped Parameters Model (LPM) consisting of masses, elastic springs and dampers to reproduce the dynamic impedances of the soil-foundation system. The results of the detailed dynamic analyses using site-specific ground motions are then compared with the usual design approach, based on linear dynamic analysis of the fixed-base structure using the design spectrum.

Nella pratica ingegneristica corrente gli elementi strutturali di viadotti a schema isostatico in zona sismica vengono usualmente progettati adottando un’analisi lineare dinamica. Il periodo proprio di vibrare della sovrastruttura viene determinato nell’ipotesi di base fissa e l’azione sismica definita per mezzo di uno spettro di progetto ottenuto, il più delle volte, da un approccio semplificato basato sulle categorie di sottosuolo definite dal D.M. 17/01/2018. Sovrastruttura e fondazioni vengono, dunque, studiate separatamente cosicché le sollecitazioni alla base della pila, ottenute dall’analisi della sola sovrastruttura, diventano le azioni in fondazione di un autonomo modello di calcolo. Tale approccio ignora completamente l’interazione dinamica tra terreno, fondazione e struttura, nonostante la letteratura scientifica abbia da tempo evidenziato che gli effetti di interazione tra le componenti del sistema non sono sempre trascurabili. Questo articolo presenta, per un viadotto dell’Alta Velocità ferroviaria, i risultati relativi all’analisi sismica di una pila su pali tipica dell’opera seguendo due differenti approcci per l’analisi di interazione: il “metodo diretto” e il “metodo per sottostrutture”. Il primo utilizza un modello completo agli elementi finiti 3D in cui il comportamento non lineare del terreno è descritto da un legame costitutivo elasto-plastico incrudente, mentre il secondo adotta un modello visco-elastico a parametri concentrati (masse, molle e smorzatori) per l’approssimazione delle impedenze dinamiche del sistema terreno-fondazione. I risultati dello studio numerico di dettaglio vengono infine messi a confronto con l’analisi lineare dinamica dell’approccio progettuale usuale.