Three-dimensional advanced numerical approaches to the seismic soil and structural response analyses

A 3D non-linear finite element approach is developed to study the free-field seismic ground response and the soil-structure interaction (SSI) phenomena at the Lotung site (Taiwan) during the earthquake event occurred on May 20 1986. The site was extensively instrumented with down-hole and surface ac- celerometers, these latter located also on a 1/4–scale nuclear power plant containment structure. An advanced constitutive model is adopt- ed for simulating the soil behaviour, while a linear visco-elastic be- haviour is assumed for the structural model. The free-field and SSI analyses are carried out applying both the NS and EW horizontal components of the acceleration time history as recorded at the depth of 47 m b.g.l. The predicted ground response re- sults are in fair agreement with the recorded motion at depth and at the surface. The dynamic response of structure is well captured for this specific seismic event, thus confirming the validity of the numerical approach

Modellazione numerica del comportamento dinamico di gallerie superficiali in terreni argillosi

Lo studio del comportamento delle strutture in sotterraneo soggette ad azioni sismiche va affrontato in maniera diversa rispetto a quanto viene fatto comunemente per le strutture in elevazione. Mentre il comportamento di queste ultime è regolato dalle caratteristiche inerziali della struttura stessa, la risposta dinamica delle strutture in sotterraneo è governata dalla risposta deformativa del terreno circostante e dalla loro interazione. Questa differenza è una conseguenza della trascurabile inerzia della costruzione in sotterraneo rispetto a quella del terreno che la circonda. In relazione ai danni prodotti dalle vibrazioni del terreno al passaggio delle onde sismiche, gli stati deformativi che può subire una galleria in seguito ad esso possono essere sintetizzati secondo gli schemi riportati in Figura 1.1 (Owen e Scholl, 1981), dove si assimila la struttura in sotterraneo ad una trave elastica sottoposta alle deformazioni imposte dal terreno circostante. Con riferimento all’asse della galleria risulta quindi necessario analizzare il comportamento dell’opera secondo due direzioni: • direzione longitudinale: la galleria è sollecitata secondo la sua direzione longitudinale dalla deformazioni di compressione ed estensione che si sviluppano secondo il suo asse e dalle deformazioni flessionali che si originano dalle vibrazioni delle particelle di terreno in direzione perpendicolare al suo asse; • direzione trasversale:la galleria è sollecitata nel piano trasversale dall’azione di onde di taglio con direzione di propagazione pressoché perpendicolare al suo asse che portano all’ovalizzazione della sezione strutturale (Wang, 1993). Il comportamento di una galleria in presenza di sisma può essere analizzato sia ricorrendo a soluzioni in forma chiusa basate su approcci di tipo analitico sia effettuando delle analisi dinamiche complete mediante, ad esempio, un codice di calcolo non lineare agli Elementi Finiti (FEM). Nel primo caso gli effetti locali sono tenuti in conto attraverso specifiche analisi di propagazione locale, finalizzate alla definizione delle caratteristiche del sisma alla quota della galleria (approccio disaccoppiato). Le analisi FEM, invece, permettono di valutare il comportamento della galleria tenendo conto in maniera più realistica dell’interazione terreno-rivestimento, del comportamento non lineare del terreno e dell’accelerogramma di progetto nella sua interezza e non solo attraverso parametri sintetici (approccio accoppiato). Il problema della propagazione monodimensionale è stato analizzato adottando l’approccio lineare equivalente implementato nel codice EERA (Bardet et al., 2000). Le sollecitazioni nel rivestimento della galleria sono state calcolate, limitatamente alla sola direzione trasversale, facendo riferimento alle equazioni proposte da Wang (1993) sia per condizioni di full-slip sia per quelle di no-slip tenendo conto della differente rigidezza del terreno e della struttura. Le analisi FEM sono state condotte in condizioni di deformazione piana con il codice PLAXIS. Nell’ottica di un confronto con i risultati ottenuti dall’approccio disaccoppiato, in un primo gruppo di analisi è stato utilizzato per il terreno un modello costitutivo di tipo visco-elastico. In una seconda serie di analisi è stato introdotto come ulteriore ingrediente la plasticità, facendo riferimento al criterio di resistenza di Mohr-Coulomb. Tutte le analisi numeriche sono state condotte in condizioni non drenate e lo smorzamento viscoso è stato introdotto secondo la formulazione di Rayleigh

Analysis of Tunnel Behaviour Under Seismic Loads by Means of Simple and Advanced Numerical Approaches

In this paper different approaches aimed at investigating the dynamic behaviour of circular tunnels in the transverse direction are presented. The analysed cases refer to a shallow tunnel built in an ideal soft clayey deposit. The adopted approaches include one-dimensional (1D) numerical analyses performed modelling the soil as a single phase visco-elastic non-linear medium, the results of which are then used to evaluate the input data for selected analytical solutions proposed in the literature (uncoupled approach), and 2D fully coupled Finite Element simulations adopting visco-elastic and visco-elasto-plastic constitutive assumptions for the soil and the lining (coupled approach). The results are proposed in terms of increments of seismic-induced loads in the transverse direction of the tunnel lining. The different constitutive hypotheses adopted in the coupled numerical approach prove to play a significant role on the results. In particular, the plasticity-based analyses indicate that a seismic event can produce a substantial modification of the loads acting in the lining, leading to permanent increments of both hoop force and bending moment

PRENOLIN project. Results of the validation phase at sendai site

One of the objectives of the PRENOLIN project is the assessment of uncertainties associated with non-linear simulation of 1D site effects. An international benchmark is underway to test several numerical codes, including various non-linear soil constitutive models, to compute the non-linear seismic site response. The preliminary verification phase (i.e. comparison between numerical codes on simple, idealistic cases) is now followed by the validation phase, which compares predictions of such numerical estimations with actual strong motion data recorded from well-known sites. The benchmark presently involves 21 teams and 21 different non-linear computations. Extensive site characterization was performed at three sites of the Japanese KiK-net and PARI networks. This paper focuses on SENDAI site. The first results indicate that a careful analysis of the data for the lab measurement is required. The linear site response is overestimated while the non-linear effects are underestimated in the first iteration. According to these observations, a first set of recommendations for defining the non-linear soil parameters from lab measurements is proposed. PRENOLIN is part of two larger projects: SINAPS@, funded by the ANR (French National Research Agency) and SIGMA, funded by a consortium of nuclear operators (EDF, CEA, AREVA, ENL)

The contribution of constitutive modelling to sustainable geotechnical engineering: examples and open issues

This paper discusses the role of constitutive modelling in the context of modern sustainability-driven geotechnical engineering. The necessary definitions and fundamental relations among the elements characterising sustainability in civil and geotechnical engineering are first provided, based on the available scientific literature, to then introduce the key topic here discussed by some examples, characterised by increasing level of complexity in terms of constitutive modelling assumptions. This objective is first attempted by presenting the results of the analyses of two boundary value problems, one related to the staged construction of an earth dam and the other devoted to the analysis of the seismic performance of a tunnel, which clearly show that a slight improvement in the constitutive assumptions can lead to rather more realistic, instructive and sustainable representations of reality. The second part of the paper is devoted to the discussion of some specific issues related to more recent advances in plasticity-based constitutive modelling of soils, focusing on clayey natural soils affected by structure, and its degradation, and by anisotropy, and its evolution. In this context, some well-established advanced constitutive frameworks are discussed, specifically focusing on the advantages and limitations of their use in the numerical analyses of geotechnical boundary value problems. It emerges that more research efforts are needed to define effective procedures to initialise at the deposit level the, often many, internal variables typically characterising advanced constitutive laws

Prospettive nell'analisi del comportamento delle dighe di terra

Relazione General al XXVI Convegno Nazionale di Geotecnica - Nella prima parte della relazione si discute degli effetti della parziale saturazione sul comportamento dei terreni compattati, evidenziando come l’ampia sperimentazione e l’applicazione dei principi di meccanica dei terreni non saturi in codici calcolo oggi disponibili proiettino nuova luce sulla progettazione e sull’osservazione del comportamento delle opere di terra. La seconda parte è dedicata al comportamento delle dighe di terra in presenza di sisma. Vengono esaminati criticamente gli approcci di analisi proposti in letteratura, a partire dai classici metodi pseudo-statici sino a discutere quelli numerici avanzati di recente sviluppati in ambito accademico. Il complesso comportamento meccanico dei terreni quando soggetti ad azioni cicliche richiede l’introduzione di ipotesi semplificative nei suddetti approcci, cui sono correlati i loro vantaggi e limiti. Nella pratica tecnica, la consapevolezza di questi ultimi può consentire di selezionare con maggiore efficacia lo strumento di analisi appropriato allo specifico problema da esaminare

Un modello iperelastico non lineare anisotropo per lo studio della risposta reversibile dei terreni

In questa nota viene presentato un modello costitutivo iperelastico non lineare anisotropo concepito per descrivere la risposta reversibile dei terreni. Aspetti quali la dipendenza non lineare della rigidezza elastica dallo stato di sforzo e il carattere anisotropo della rigidezza assumono spesso un ruolo non trascurabile nella modellazione del comportamento meccanico dei terreni e nell’analisi di numerosi problemi geotecnici al finito. Il modello in oggetto è in grado di riprodurre in maniera termodinamicamente corretta sia l’effetto dell’anisotropia indotta dallo stato di sforzo/deformazione, sia gli effetti dell’anisotropia di struttura. Quest’ultima è descritta da un tensore di struttura del secondo ordine che è la rappresentazione macroscopica delle proprietà microstrutturali del materiale. La procedura di calibrazione dei parametri e le capacità previsionali del modello sono illustrate con riferimento a risultati di prove di laboratorio eseguite su provini di sabbia

An experimental investigation into the mechanical behaviour of a structured stiff clay

In recent years, fundamental research has been carried out into the properties of some natural stiff clays and the corresponding reconstituted materials, highlighting the role of microstructural features in the observed differences. In this paper the results of an experimental investigation into the mechanical behaviour of an Italian stiff clay of marine origin are presented. Medium-pressure and high-pressure stress-controlled triaxial cells were used in which natural samples underwent isotropic and anisotropic compression and swelling before drained or undrained shearing. Comparison of soil behaviour observed after different compression histories up to different values of maximum effective stress allowed the following aspects to be discussed: the effects of the initially structured state on the medium to large strain response and shear strength characteristics of the soil; the relevance of volumetric and deviatoric plastic strain to the structure degradation; the role and implications of the imposed non-isotropic stress histories; the permanent differences between reconstituted samples and fully destructured natural samples; and the uniqueness of the critical state condition

Numerical modelling of the transverse dynamic behaviour of circular tunnels in clayey soils

In this paper, different approaches aimed at investigating the dynamic behaviour of circular tunnels in the transverse direction are presented. The analysed cases refer to a shallow tunnel built in two different clayey deposits. The adopted approaches include I D numerical analyses performed modelling the soil as a single-phase visco-elastic non-linear medium, the results of which are then used to evaluate the input data for selected analytical solutions proposed in the literature (uncoupled approach), and 2D fully coupled FE simulations adopting visco-elastic and visco-elasto-plastic effective stress models for the soil (coupled approach). The results are proposed in terms of seismic-induced loads in the transverse direction of the tunnel lining. The different constitutive hypotheses adopted in the coupled numerical approach prove to play a significant role on the results. In particular, the plasticity-based analyses indicate that a seismic event can produce a substantial modification of loads acting in the lining, leading to permanent increments of both hoop force and bending moment

Isotropic and anisotropic elasto-plastic coupling in clays: a thermodynamic approach

In many solids, like soils and rocks, the elastic behaviour exhibited for very small stress/strain perturbations often depends on the previously experienced plastic dissipative processes: this is commonly referred to as elasto-plastic coupling. In this paper, this phenomenon is examined in a thermodynamic-based constitutive modelling perspective. Within the framework of hyperplasticity theory, a new formulation considering isotropic and rotational hardening is proposed to illustrate two forms of isotropic and anisotropic elasto-plastic coupling for clays. The thermodynamic approach allows some specific features of the phenomenon to be highlighted in more detail as compared to what conventionally derived from the elasto-plasticity theory, with particular reference to the effects of coupling on the yield domain in the Cauchy stress space and the resulting non-associated flow rules. The predictive capability of the model is illustrated with reference to a series of numerical simulations of real and ideal laboratory tests on reconstituted clays