Soil–structure interaction under strong seismic moment: material and geometric nonlinearity

Abstract

The study is focused on the nonlinear effects associated with the response of a shallow foundation subjected to large overturning moment. Slender structural systems are more vulnerable to develop high levels of foundation moment even during a moderate seismic shaking and evidently rocking component of motion is predominant. In the domain of large displacements, nonlinear features of such a soil-foundation system may be summarised in separation of a footing undergoing rocking oscillations from the supporting soil (‘uplifting’), and mobilisation of bearing capacity type failure surface echanisms under large cyclic overturning moments (‘soil failure’).An introduction to study the geometrically nonlinear SSI was attempted first. Rocking behaviour of a rigid, block-type or onestorey structure supported on a rigid base was examined. In the case of a one-storey structure the flexibility of the pier was also considered. The profound nonlinear aspects of the dynamic rocking response were highlighted.The compliance of the supporting soil was implemented in the analysis of the rocking response of shallow foundations through sophisticated nonlinear finite element modeling. Monotonic response was calculated with static ‘push-over’ analysis to extract backbone load-displacement curves. Moreover, time-domain analysis using pulses or earthquake records as bedrock excitation was carried out to elucidate the nonlinear features of the dynamic response of the soil-foundation system. Based on theseanalyses, a macroscopic modelling of the soil–foundation system was developed, capable of representing the large-displacement domain of the response and overcoming the drawbacks of conventional Winkler-based modelling. Analytical equations for the monotonic load-displacement relationship were extracted incorporating both geometric and material nonlinearities. Interaction curves were also produced under static conditions and compared to the existing solutions of the literature. Theanalysis was extended in the time-domain by using both pulse-type time histories and earthquake records. Permanent cumulative displacements were also calculated in light of a fundamental sensitivity study. Finally, the conditions under which uplifting leads to large angles of rotation and eventually to overturning were investigated through rigorous, large displacement approach. A profoundly nonlinear rocking behaviour was revealed for both rigid and elastic soil conditions. This geometrically nonlinear response was further amplified by unfavourable sequences of long–durationpulses in the excitation.

Στην παρούσα διατριβή μελετάται η σεισμική απόκριση επιφανειακών θεμελίων με θεώρηση των μη-γραμμικών φαινομένων που απορρέουν αφ’ ενός μεν από την αποκόλληση του θεμελίου από το έδαφος και αφετέρου δε από την πλαστική συμπεριφορά του εδαφικού υλικού στην περιοχή της θεμελίωσης. Θεμελιώδης προϋπόθεση για την γένεση των δύο ανωτέρωμορφών μη-γραμμικής συμπεριφοράς είναι η ανάπτυξη από την ανωδομή μεγάλων λικνιστικών ταλαντώσεων. Προς τον σκοπό αυτόν η έρευνα εστιάζεται στην ανάλυση υψίκορμων (slender) συστημάτων με επιφανειακή θεμελίωση όπου η κύρια μορφή αδρανειακής ταλάντωσης είναι η λικνιστική. Κατ’ αρχάς μελετήθηκε ο λικνισμός του μη-παραμορφωτού ταλαντωτή σε ανένδοτη θεμελίωση με έμφαση στη γεωμετρική προσέγγιση της δυναμικής του προβλήματος (ανάλυση στον χώρο των φάσεων). Υπολογίσθηκαν κανονικοποιημένα φάσματα λικνισμού για διέγερση με απλούς εξιδανικευμένους παλμούς. Η ανάλυση επεκτάθηκε στον ιξωδο-ελαστικό μονοβάθμιοταλαντωτή με αποκόλληση θεμελίου με μη-γραμμική διατύπωση των εξισώσεων ισορροπίας κατά Lagrange (λεπτομερής περιγραφή). Διερευνήθηκε η λικνιστική και η καμπτική απόκριση του συστήματος και συγκρίθηκε με αυτήν του γραμμικοποιημένου συστήματος.Εισαγάγοντας την ενδοσιμότητα του εδάφους η ανάλυση επεκτάθηκε χρησιμοποιώντας την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Υπολογίσθηκαν τοπικές και καθολικές μη-γραμμικές σχέσεις δύναμης-μετακίνησης του συστήματος εδάφους- θεμελίου. Διερευνήθηκαν μη-γραμμικά φαινόμενα όπως η μετάπτωση του πόλου περιστροφής και η συρρίκνωση του εν επαφή θεμελίου. Τα αποτελέσματα της αριθμητικής προσέγγισης αξιολογήθηκαν για την ανάπτυξη μακροσκοπικού προσομοιώματοςυπό μονοτονική φόρτιση .Η οριακή αντοχή των θεμελίων προσεγγίσθηκε με τον υπολογισμό καμπυλών αλληλεπίδρασης μέσω πεπερασμένων στοιχείων αλλά κυρίως απλών προσομοιωμάτων. Επίσης υπολογίσθηκαν καμπύλες αλληλεπίδρασης υπό σεισμική διέγερση και οι αναπτυσσόμενες ανακυκλικές καθιζήσεις.Τέλος, διερευνήθηκαν οι συνθήκες ανατροπής υπό δυναμική φόρτιση. Υπολογίσθηκαν φάσματα ανατροπής και μελετήθηκε η επίδραση της ευκαμψίας της ανωδομής και της ενδοσιμότητας του εδάφους