Numerical strategies for the analysis of Soil–Structure Interaction with application to Geotechnical Seismic Isolation

L’integrazione dei sistemi di isolamento sismico geotecnico (Geotechnical Seismic Isolation, GSI), in particolare quelli che impiegano miscele terreno-gomma (Rubber-Soil Mixtures, RSM), rappresenta una strategia innovativa e sostenibile per la protezione sismica delle strutture. Tuttavia, l’adozione di tali tecnologie nella pratica professionale dell’ingegneria è spesso ostacolata dall’elevato costo computazionale delle simulazioni numeriche avanzate e dalla complessità nella caratterizzazione dell’interazione non lineare tra il terreno, lo strato di isolamento e la fondazione. Questa tesi si propone di sviluppare e validare un framework numerico semplificato che rappresenti un compromesso affidabile tra i modelli a parametri concentrati e le simulazioni ad alta fedeltà con elementi finiti solidi. La ricerca è strutturata in tre fasi principali: calibrazione, validazione metodologica e proposta di un approccio semplificato di sottostrutturazione per applicazioni progettuali. Nella prima fase, è stata condotta un’analisi di benchmark completa per definire una base di riferimento rigorosa. Sfruttando dati sperimentali e numerici presenti in letteratura, è stato implementato un modello a parametri concentrati in MATLAB. Per garantire la coerenza con i risultati di riferimento, è stata proposta una metodologia per derivare le proprietà del materiale dipendenti dalla deformazione, in particolare rigidezza e smorzamento equivalente, operando in campo lineare ma tenendo conto della non linearità in modo semplificato attraverso un approccio a modulo equivalente lineare. Questo processo ha dimostrato che la procedura iterativa proposta è in grado di cogliere correttamente i parametri efficaci, fornendo una base solida per gli studi successivi. La seconda fase ha riguardato il passaggio a un caso studio specifico, confrontando una configurazione con terreno naturale (NS) e un sistema protetto mediante GSI. Per superare i limiti delle formulazioni puramente analitiche, che risultano inadeguate in presenza di geometrie complesse e forti contrasti di impedenza tipici degli strati GSI, le funzioni di impedenza dipendenti dalla frequenza sono state ricavate numericamente. Un aspetto chiave di questa caratterizzazione è l’adozione di un modello di smorzamento bilineare, che consente di separare efficacemente la dissipazione isteretica indipendente dalla frequenza dallo smorzamento per irraggiamento dipendente dalla frequenza. Infine, lo studio affronta la principale criticità per i progettisti, ovvero la riduzione dei costi computazionali senza compromettere l’accuratezza. È stato sviluppato un modello a sottostrutturazione in cui la struttura è rappresentata mediante elementi solidi, mentre l’interazione terreno-fondazione è modellata tramite molle e smorzatori dinamici equivalenti. Un passaggio cruciale di questo processo è l’estrazione del moto di input in fondazione (Foundation Input Motion, FIM), che, tenendo conto dei fenomeni di dissipazione e filtraggio delle onde attraverso gli strati di terreno, garantisce che il modello semplificato sia sollecitato da un input cinematicamente coerente con la simulazione completa a elementi solidi. I risultati mostrano un buon grado di coerenza tra i modelli solidi e quelli a sottostrutturazione. La sovrapposizione del FIM per entrambe le configurazioni, NS e GSI, evidenzia che l’efficacia del GSI deriva principalmente dall’interazione inerziale e dalla dissipazione di energia, piuttosto che da effetti di filtraggio cinematico. Validando questo approccio articolato, la tesi fornisce una metodologia computazionalmente efficiente ma rigorosa, che consente ai progettisti di effettuare un predimensionamento accurato e valutazioni prestazionali dei sistemi GSI in ambito professionale.

The integration of Geotechnical Seismic Isolation (GSI) systems, particularly those employing Rubber-Soil Mixtures (RSM), represents an innovative and sustainable strategy for the seismic protection of structures. However, the adoption of such technologies in professional engineering practice is often hindered by the high computational demand of advanced numerical simulations and the complexity of characterizing the non-linear interaction between the soil, the isolation layer, and the foundation. This thesis aims to develop and validate a streamlined numerical framework that provides a reliable middle ground between simplified lumped parameter models and high-fidelity solid finite element simulations. The research is structured in three main phases, consisting of calibration, methodological validation, and the proposal of a simplified substructuring approach for practical design. In the first phase, a comprehensive benchmark analysis was conducted to establish a rigorous baseline. Leveraging the experimental and numerical data from the literature, a lumped parameter model was implemented in MATLAB. To ensure consistency with the established results, a methodology was proposed to derive the strain-dependent material properties, specifically the stiffness and equivalent damping, by operating within a linear field while accounting for non-linearity in a simplified manner through an equivalent linear modulus approach. This process demonstrated that the proposed iterative procedure correctly captures the effective parameters, providing a robust foundation for the subsequent case studies. The second phase involved the transition to a specific case study, comparing a Natural Soil (NS) configuration with a GSI-protected system. To overcome the limitations of purely analytical formulations, which struggle with the complex geometry and high impedance contrast of the GSI layers, the frequency-dependent impedance functions were numerically derived. A key feature of this characterization is the adoption of a bilinear damping model, which effectively separates the frequency-independent hysteretic dissipation from the frequency-dependent radiation damping. Finally, the study addresses the primary challenge for practitioners, which is reducing computational costs without compromising accuracy. A substructuring model was developed where the structure is represented by solid elements and the soil-foundation interaction is modeled through equivalent dynamic springs and dashpots. A critical step in this workflow is the extraction of the Foundation Input Motion (FIM), which, by accounting for the wave dissipation and filtering effects through the soil layers, ensures that the simplified model is excited by a motion physically consistent with the full-solid simulation. The results demonstrate a high degree of consistency between the solid and substructuring models. The overlap of the FIM for both NS and GSI configurations highlights that the GSI’s effectiveness primarily stems from inertial interaction and energy dissipation rather than kinematic filtering. By validating this multi-step approach, the thesis provides a computationally efficient yet rigorous methodology, enabling designers to perform accurate preliminary sizing and performance assessments of GSI solutions in a professional engineering context.