Effect of Elastic and Inelastic DSSI on Seismic Demands of SDOFs Structures

In general, under earthquake loading, the soil reaches the limit of its elastic behavior before the structural elements. Thus, an earthquake analysis approach assuming inelastic structural behavior under fixed base condition or with elastic dynamic soil-structure interaction (DSSI) hypothesis may be inadapted. This paper describes the investigation conducted in order to define the contribution of the pure elastic DSSI effects in the complete inelastic DSSI problem. With this purpose, a comparative analysis between elastic and inelastic soil behavior assumptions for two inelastic single-degree-of-freedom (SDOF) structures and two soils is carried out. The results point out that, in general, inelastic soil behavior plays a decisive role only when the soil is saturated. When the soil is in dry condition, an elastic DSSI approach seems to be accurate enough to take into account the modification of the structural response due to DSSI. Differences in structural dynamics responses are related to pore pressure generation induced in the inelastic case and neglected when elastic soil behavior is assumed

Uma abordagem à modelação de solos não saturados

Os geomateriais das camadas dos pavimentos e das vias-férreas, bem como os das respectivas fundações, encontram- se no estado não saturado nas boas condições de serviço destas infra-estruturas. Torna-se por isso necessário considerar o aspecto não saturado destes materiais na modelação e no dimensionamento destas infra-estruturas. O presente artigo propõe a generalização do conceito de tensão efectiva para solos não saturados. De modo a descrever o comportamento exibido pelos solos não saturados, nomeadamente os fenómenos de colapso durante a humidificação, é proposto um modelo elastoplástico. Este modelo, descrito em termos de tensões efectivas, é calibrado para o caso de uma areia siltosa com base em resultados de ensaios triaxiais clássicos e de precisão com medição da pressão intersticial negativa

Modélisation numérique : Un outil efficace pour la compréhension du comportement des ouvrages

National audienceJean Biarez a été un des pionniers en France qui ont compris le potentiel de la méthode des éléments finis et qui a encouragé ses élèves comme Denis Aubry à s'engager dans cette voie. L'outil numérique, intégrant les différentes recherches menées à la fois dans le domaine numérique mais aussi dans celui de la mécanique et de la physique au laboratoire MSS-Mat, a pu être utilisé et validés pour des applications diverses. L'exposé portera sur la justification et la validation des concepts tels que l'état critique et le comportement-repère chers à Jean Biarez

Soil Dynamics

International audienc

Soil-structure interaction modeling using equivalent linear soil behavior in the substructure method

A numerical procedure, coded into a numerical code (MISS3D-EqL), is developed to accommodate for the effects of the nonlinear soil behavior on the soil-structure interaction (SSI) using an equivalent linear approach. Equivalent linear behavior is assumed for the soil, while the response of the structure to the ground shaking and its effects on the soil are properly taken into account using the substructure method. The proposed procedure is validated against other numerical software and experimental means, such as shaking table and centrifuge tests. The effects of the equivalent linear soil behavior on the soil-structure system response are clearly demonstrated by analyses of representative case studies. A recursive analysis of typical soil profiles and infrastructures is performed to reveal the further softening of the system and the increased energy dissipation, compared to the linear case, due to the equivalent linear soil behavior. Special emphasis is given to the estimation of the foundation dynamic impedance functions. Dynamic stiffness and radiation dashpot coefficients are estimated for typical footings resting on typical soil profiles with equivalent linear behavior. The effects of the nonlinear soil behavior on the dynamic coefficient are shown compared to the linear elastic case. The dynamic stiffness coefficient decreases with increasing input acceleration amplitude, with decreasing soil shear wave velocity and with decreasing soil shear modulus, while it depends on the frequency content of the earthquake. The radiation dashpot coefficient is unaffected by the nonlinear soil behavior for most practical applications.Une procédure numérique, ainsi qu un code numérique (MISS3D-EqL), est développés pour prendre en compte le comportement nonlinéaire du sol dans l'interaction sol-structure. Le comportement linéaire équivalent est supposé pour le sol, alors que la réponse de la structure et ses effets sur le sol sont correctement pris en considération avec la méthode de sous-structuration dynamique. La procédure proposée est validée par d'autres logiciels numériques et moyens expérimentaux, comme des essais de tables vibrante et centrifugeuse. Les effets du comportement linéaire équivalent du sol sur la réponse du système sol-structure sont clairement démontrés par des analyses de cas représentatives. Une analyse des systèmes typiques de sol-structure est exécutée pour indiquer le ramollissement supplémentaire du système et l augmentation de la dissipation d'énergie, comparé au cas linéaire. Considération particulière est donnée à l'évaluation des fonctions dynamiques d'impédance de la fondation. Les coefficients dynamiques de la rigidité et de l'amortissement radiatif sont estimés pour des fondations typiques posées sur des profils typiques de sol avec un comportement linéaire équivalent. Les effets du comportement nonlinéaire du sol sont montrés comparés au cas linéaire élastique. Le coefficient dynamique de rigidité se diminue avec l'augmentation de l'amplitude de l'accélération, avec la vitesse décroissante de cisaillement du sol et avec le module décroissant de cisaillement du sol, alors qu'il dépend de la contenue fréquentiel du séisme. Le coefficient de d'amortissement radiatif n est pas affecté par le comportement nonlinéaire du sol, pour la plupart des applications pratiques.CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF

Modélisation du comportement cyclique des ouvrages en terre intégrant des techniques de régularisation.

L'objectif technique majeur de cette thèse se rapporte au développement d'un outilde simulation numérique fiable et robuste adapté à la maîtrise et la connaissance dufonctionnement mécanique des ouvrages géotechniques. Cet outil de simulation doitnotamment permettre une maîtrise des scénarii les plus pénalisants pour leur tenue,notamment sous l'aléa sismique.La qualité des résultats d'un tel outil dans le cadre de la méthode des éléments finisest fonction du modèle de comportement utilisé, de la qualité de l'intégration dumodèle et de sa résolution numérique. Dans le cadre de ce travail, le modèleélastoplastique de comportement cyclique des sols de l'ECP (dit de Hujeux) a étéintroduit dans Code_Aster selon un schéma d'intégration implicite, permettant ainsiune représentation fine et précise des phénomènes mis en jeu durant l'aléasismique. Ce modèle possède également l'avantage d'être adapté au comportementde différents types de sols dans le cadre des milieux poreux sous l'hypothèse despetites déformations. Après validation sur des chemins de chargement variés, lemodèle est à présent utilisé pour la simulation de la construction par couches, de lamise en eau et de la tenue sismique de barrages en terre.Le caractère non standard et adoucissant de ce modèle conduit à mettre en oeuvredes techniques de régularisation pour résoudre le problème de dépendancepathologique des résultats aux maillages lors de l'apparition de modes de ruinelocalisée. Le modèle de second gradient de dilatation est utilisé en complément aumodèle de comportement de Hujeux pour contrôler la largeur des bandes delocalisation apparaissant sur les structures étudiées. La prise en compte d'unecinématique enrichie permet de rendre objectives aux maillages les réponses desstructures durant leur phase d'adoucissement mais n'instaure pas l'unicité dessolutions aux problèmes posés suite aux instabilités. Dans le cadre d'essaisbiaxiaux drainés sur des matériaux dilatants exprimés au sein des milieux dusecond gradient de dilatation, il est apparu une dépendance de la largeur desbandes de cisaillement à l'état de contraintes initial en plus des propriétés desmatériaux.A partir d'un exemple analytique d'une bande de matériau cisaillée, cettedépendance a pu être exprimée, comparée et maîtrisée en fonction des paramètresde régularisation par rapport aux résultats des simulations numériques. L'extensionde cette approche à un cas de stabilité de pente sous chargement d'une fondationsuperficielle a ensuite été entrepris. La dépendance des largeurs de bandes à l'étatde contraintes initial est apparue comme un élément clé de la maîtrise du couplageentre le modèle de second gradient de dilatation et les modèles de type Cam-ClayThe main technical objective of this PhD thesis deals with the development of a soilbehavior numerical tool. It should be robust, efficient and adapted to model themechanical behavior of geotechnical structures (e.g. embankment dam) under theworst loading scenarii such earthquakes.In the finite element method, the quality results is directly linked to the soilconstitutive model, the integration scheme and the numerical resolution. In this PhDThesis, the ECP elastoplastic soil model is introduced in Code_Aster through animplicit scheme. An implicit scheme ensures to respect the theoretical formulation ofthe model. The ECP constitutive model is one of the models available in theliterature to represent the behaviour of different kinds of soils under cyclic loadingsand it is used since the 80's by hydraulic engineers at EDF. It is expressed in termsof effective stresses and infinitesimal strains. The developments are validated forlaboratory tests in a large scale of loading paths. On the other hand, the study of asand embankment was performed and compared to the results obtained with thefinite element software GEFDyn developed at ECP.The ECP model is based on a non-associated flow rule and it is able to reproduce asoftening behavior. When shear bands occur in the structure, these properties leadto a pathological sensitivity of the results depending on the mesh size. Therefore, aregularization technique has to be used to circumvent this problem and to obtainobjective results with respect to the mesh. The second gradient of dilation model isthus chosen to be coupled to the ECP model and in this way, to ensure a spatiotemporalindependence of results. However, this mesh independence still evolves ina potential domain of solutions, when instability occurs. The simulations of drainedbiaxial tests on laboratory samples show a dependence of shear bands thickness inregard to the initial stress state and material properties.An analytical problem of a dilatant shear band is used to extract the key factors.These theoretical solutions are compared and validated to numerical responses,which are in good accordance. A bearing capacity problem was also solved todemonstrate the potential of the method. The conclusion of this work establishes themain role of initial stress state over the shear band thickness in the context of thesecond gradient of dilation model and the models based on Cam-Clay approach.CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF

Nonlinear numerical method for earthquake site response analysis I — elastoplastic cyclic model and parameter identification strategy

This paper, along with its companion paper, presents the importance of the adequate soil behaviour model to simulate earthquake site response analysis. An elastoplastic model taking into account the elementary necessary plastic mechanisms such as progressive friction mobilization, Coulomb type failure, critical state and dilatancy/contractance flow rule, is used. However, one of the obstacles in the use of elastoplasticmodels in the everyday design processes for evaluation of the seismic soil response is the difficulty in identifying their parameters. In this paper, a methodology to identify a coherent set of parameters of the elastoplastic model for a given type of soil is presented. The strategy behind the decision making process proposed here is based on the use of minimum physical and easily measurable properties of the soil to directly provide or indirectly assess the required model parameters