Earthquake response of bridge abutments accounting for soil-structure interaction and inclined piles

Around the world, large structures such as bridges, harbours and skyscrapers, are built in areas where the seismic risk is relatively high. In many cases, these structures are supported by deep foundations due to overlaying soft soil. During an earthquake, the response of the structure and the response of the soil depend on each other. The ground motion influences the displacements of the structure and the motion of the structure influences the displacements of the soil. This is referred to as soil-structure interaction (SSI) and the phenomena may be particularly important for structures supported by deep foundations. Easy access to commercial FE-software allows for accurate assessment of most structural and geotechnical problems. However, obtaining rigorous numerical solutions for dynamic soil-structure interaction response is a challenging and time-consuming process that often requires a cross-disciplinary skill set. As a result, simplified methods that are robust, user-friendly, and verifiable are often preferred in practical engineering. The main objective of this doctoral work is to aid the industry with practical computational methods for analyzing structures, particularly bridges, that are supported by deep foundations using both vertical and batter piles. These methods aim to capture the essence of SSI while also being straight-forward to understand, implement and apply.

Grunnet kostnadsbegrensninger, er det vanligvis ikke gjennomførbart å utføre komplekse dynamiske analyser av jord-konstruksjon-problemet for enkle konstruksjoner. Enkle og effektive beregningsmetoder har blitt utviklet for dynamiske analyser av broer og andre konstruksjoner som tar hensyn til interaksjonen mellom jord og konstruksjon. Disse metodene tillater forholdsvis nøyaktige analyser på en enkel, rask og praktisk måte.

Hovedtema for doktorgradsavhandlingen vil være SSI (Soil Structure Interaction) på pelefundamenterte brulandkar. En SSI-analyse beskriver hvordan konstruksjonen og massene rundt konstruksjonen påvirker hverandre. Effekten av SSI er særlig viktig for stive konstruksjoner på myk grunn. Et eksempel på en forholdsvis stiv konstruksjon er brulandkaret. Slike konstruksjoner må ofte ta opp store horisontale laster injisert av seismiske påvirkninger. Responsen av en pel eller en pelegruppe utsatt for vertikale lastvirkninger er forholdsvis godt dokumentert i litteraturen. Horisontal påkjenning derimot, fører til en kompleks, ikke-lineær respons av pelene. Dette problemet forverres ytterligere ved dynamiske påkjenninger. Skrå peler blir ofte brukt for å ta opp horisontale laster, men frarådes i områder med høy seismisk aktivitet. Dette skyldes flere jordskjelv rundt om i verden hvor skrå peler ikke har oppført seg slik som tiltenkt. Dette har ført til at flere regelverk, deriblant Eurokode 8, fraråder bruk av skråpeler ved seismisk dimensjonering. Likevel, så har flere studier av numeriske løsninger vist fordeler ved bruk av skråpeler, både med tanke underbygning og overbygning. SSI-problemet kan, noe forenklet, løses ved hjelp av to forskjellige fremgangsmåter. «Ingeniørmetoden» deler responsen i to bidrag, kinematisk respons og respons på grunn av treghetskrefter som oppstår i f.eks. overbygningen. Den kinematiske løsningen tar hensyn til stivheten av fundamantent og innvirkningen det har på bevegelsen av grunnen. De to løsningen legges deretter sammen. Den «direkte» metoden er en numerisk evaluering av problemet. Avhandlingen vil benytte begge metodene, men fokusere på numeriske løsningsmetoder.