Implementation and use of advanced constitutive models in numerical codes for the evaluation of the soil response under seismic loadings

The prediction of soil behaviour when seismic loads are applied is a challenging task to be achieved in Geotechnical Earthquake Engineering. However, when dynamic loadings are involved, low-to-high strain levels are reached. In this context, a key role is played by the numerical modelling, and different features are required to make it reliable: the soil should be modelled exploiting a solid constitutive framework, a widely tested software platform should be adopted, and the geometry of the problem under analysis should be correctly defined. On these premises, the thesis focuses on the implementation and use of advanced constitutive models in an open-source numerical platform, namely OpenSees, to show their applicability to practical cases. Different scenarios mobilizing small-to-high strain levels are considered and an increasing complexity of the geometry of the problem is analyzed. Firstly, the most adopted constitutive models able to simulate granular soils behaviour under undrained conditions are reviewed; here, it emerged that SANISAND and PM4SAND only are available in OpenSees, while the NTUASand02 model has never been implemented in a finite element code to perform fully-coupled site response analysis. For this reason, the model has been added to the OpenSees framework, and the whole procedure to implement and validate the implementation is shown in detail. Drained and undrained, monotonic and cyclic, triaxial and direct simple shear tests have been performed to compare the elemental response obtained in OpenSees to that resulting from the original implementation. Furthermore, different integration schemes have been tested and the modulus reduction curve of Nevada sand has been simulated. Then, the three constitutive models (SANISAND, PM4SAND, NTUASand02) have been tested in the simulation of the response of a 20-m thick column of Nevada sand. The comparison between the resulting responses has revealed satisfactory, especially under drained conditions and under undrained conditions at low-strain levels. When the shaking amplitude increases, soil liquefaction strongly affects the responses. Then, two free-field centrifuge tests performed in the framework of LIQUEFACT project on Ticino Sand has been simulated. The centerline of the centrifuge box has been modelled at the prototype scale and the soil non-linearity has been accounted for using PM4SAND. The results of the simulations highlighted that the acceleration time-series are correctly reproduced, while the excess pore water pressure time series are overestimated. Finally, the paradigmatic case of the San Giuliano di Puglia basin is modelled exploiting the valuable computational capabilities of the single processor parallel interpreter OpenSeesSP on the DesignSafe-CI. In particular, in 2002, the Molise Earthquake caused the death of 27 children and a teacher in the newly built area of the town, while the historical core experienced limited damage. For this reason, the whole valley has been modelled in OpenSeesSP exploiting the most recent geotechnical data and the monitoring system installed in the town has been used as benchmark to validate the numerical model. The soil behaviour is modelled using the pressure-independent multi-yield constitutive model. Generally, a good agreement has been highlighted in the time domain by comparing recorded and simulated data, while the amplification factor profile is consistent to the damage distribution observed after the 2002 earthquake.

La previsione del comportamento dei terreni sotto azioni sismiche rappresenta un arduo obiettivo da raggiungere per l’Ingegneria Geotecnica Sismica. In tali condizioni, è possible raggiungere un’ampio range di livelli deformativi. In questo contesto, un ruolo chiave lo gioca la modellazione numerica, ma differenti requisiti sono necessari affinchè essa sia efficace: il terreno va modellato con un solido modello costitutivo su una piattaforma software testata e la geometria del problema va correttamente definita. Con queste premesse, la tesi mostra l’implementazione e l’uso di modelli costitutivi avanzati in OpenSees, una piattaforma numerica open-source, per studiare l’applicabilità di questi ultimi a casi pratici. Sono stati considerati differenti scenari in cui sono mobilizzati livelli diversi di deformazione e di complessità crescente in termini di geometria del problema. Inizialmente, sono stati analizzati i modelli costitutivi più diffusi per riprodurre la risposta meccanica dei terreni granulari in condizioni non drenate. È emerso che SANISAND e PM4SAND sono gli unici disponibili in OpenSees, mentre il modello NTUASand02 non è mai stato implementato in un codice agli elmenti finiti per analisi di risposta sismica locale in condizioni non drenate. Per tale ragione, il modello è stato inserito in OpenSees e la procedura seguita per l’implementazione e la validazione del modello è mostrata in dettaglio. Sono state simulate prove triassiali e di taglio semplice, monotone e cicliche, in condizioni drenate e non, per osservare la risposta a livello dell’elemento e confrontare i risultati ottenuti in OpenSees con quelli dell’implementazione originale. Inoltre, sono stati testati differenti schemi di integrazione ed è stata riprodotta la curva di decadimento del modulo di rigidezza a taglio della sabbia del Nevada. I tre modelli (SANISAND, PM4SAND, NTUASand02) sono stati poi adottati per studiare la risposta sismica di una colonna di 20 m di sabbia del Nevada. Il confronto tra le risposte si è rivelato soddisfacente, specialmente in condizioni drenate e non drenate a bassi livelli deformativi. Quando, invece, si aumenta l’ampiezza del moto sismico, la liquefazione influenza molto la risposta. Poi, sono stati simulati due test in centrifuga in condizioni free-field condotti nell’ambito del Progetto LIQUEFACT sulla sabbia del Ticino. La linea mediana della scatola è stata riprodotta alla scala del prototipo e il terreno è modellato con PM4SAND. I risultati delle simulazioni hanno evidenziato come le serie temporali sono correttamente riprodotte, mentre le sovrappressioni neutre sono sovrastimate. Infine, è stato riprodotto il caso del bacino di San Giuliano di Puglia utilizzando l’interpreter parallelo OpenSeesSP su DesignSafe-CI. In particolare, nel 2002, il terremoto del Molise ha causato la morte di 27 bambini e una maestra nell’area di nuova costruzione del paese, mentre nel centro storico si sono osservati danni molto ridotti. Per tale ragione, il bacino è stato modellato in OpenSeesSP utilizzando i dati geotecnici più recenti ed il sistema di monitoraggio installato nel paese è stato utilizzato per la validazione del modello numerico. Il modello pressure-independent multi-yield è stato utilizzato per il bacino. In generale, si è osservato un buon accordo tra accelerogrammi simulati e registrati, mentre i profili del fattore di amplificazione sono risultati consistenti con la distribuzione del danno conseguente al sisma del 2002.