Interazione dinamica terreno - struttura di pozzi di fondazione di pile di ponti e viadotti

In this thesis, the behaviour of bridge-pier caisson foundations subjected to high-intensity seismic events is studied. After a critical review of papers available in the scientific literature, the role of elasto-plastic soil behaviour on bridge performance is investigated, by evaluating maximum and permanent values of displacements and rotations attained during and at the end of the seismic event. Specifically, a parametric study is performed by carrying out finite element coupled dynamic analyses in the time domain and in three-dimensional conditions. Seismic input motions are applied at the bedrock depth in terms of real acceleration time histories. Soil behaviour is described by an elasto-plastic constitutive model with isotropic hardening, to get a fair estimate of nonlinear soil behaviour and hysteretic damping under cyclic loading conditions. The coupled dynamic analyses are carried out under undrained conditions in terms of effective stresses. The influence of several key factors on the performance of the system is addressed: piers and caisson foundations with varying dimensions are considered, as well as different seismic input motions characterised by different frequency content and significant duration but similar values of the Arias intensity; furthermore, the effect of caisson construction stages and of the model adopted for bridge piers on the performance of the system is evaluated. All caisson foundations are characterised by the same value of the static safety factor against bearing capacity, to evaluate the performance of the systems starting from the same initial conditions. From the results obtained by performing the 3D coupled dynamic analyses, the equivalent seismic coefficient to be used in a pseudo-static analysis to check the safety of bridge-pier caisson foundations against geotechnical ultimate limit states is evaluated; moreover, the effect of foundation mass on dynamic properties of the system is addressed through modal analyses carried out considering soil foundation compliance.

Nella tesi si studia il comportamento dei pozzi di fondazione di pile da ponte soggetti a eventi sismici di elevata intensità. Dopo un’analisi critica degli studi disponibili nella letteratura scientifica viene studiata l’influenza del comportamento elasto - plastico dei terreni di fondazione sulla prestazione dell’opera, valutata in termini di valori massimi e permanenti degli spostamenti e delle rotazioni ottenuti durante e al termine dell’evento sismico. Nello specifico, viene svolto uno studio parametrico conducendo analisi accoppiate svolte, nel dominio del tempo e in condizioni tridimensionali, con il metodo degli elementi finiti. Nelle analisi, l’input sismico è costituito da storie temporali delle accelerazioni di eventi sismici reali. Il comportamento meccanico dei terreni di fondazione è descritto da un modello costitutivo elasto - plastico incrudente, al fine di ottenere una stima affidabile della risposta in campo non lineare e dello smorzamento isteretico. Le analisi dinamiche non drenate sono svolte in termini di tensioni efficaci. Viene valutata l’influenza di alcuni parametri chiave sulla prestazione del sistema, quali le dimensioni del pozzo e della pila, il contenuto in frequenza e la durata significativa dell’input sismico, l’effetto delle fasi costruttive del pozzo e la modellazione adottata per la sovrastruttura. Tutti i pozzi di fondazione sono caratterizzati dal medesimo valore del coefficiente di sicurezza al carico limite nelle condizioni statiche. Dalle analisi 3D sono stimati i valori del coefficiente sismico equivalente da utilizzare nelle verifiche condotte con il metodo pseudo – statico per valutare la sicurezza nei riguardi degli stati limite ultimi di tipo geotecnico della fondazione. Infine, viene valutata l’influenza dell’inerzia dei pozzi sulle proprietà dinamiche del sistema, mediante analisi modali svolte considerando la cedevolezza del sistema fondazione - terreno.