Indagine numerica 3D dell'interazione sismica non lineare suolo-struttura in torri murarie a fondazione superficiale con integrazione mista implicita-esplicita per una maggiore stabilità della soluzione

This thesis explores the intricate dynamics of soil-structure interaction, particularly in the seismic analysis of masonry structures. The rigid and brittle nature of masonry, in conjunction with the nonlinear soil beneath, presents a challenge in identifying the weakest link that could result in a failure mechanism. This study provides novel insights by simultaneously addressing structural and soil nonlinearities, staying faithful to the characteristics of masonry and soil behaviour. The primary objective is to comprehend the potential inelastic mechanisms and identify sources of hysteretic energy dissipation in the seismic analysis of soil-structure interaction of shallow-founded masonry structures. Furthermore, recognizing the substantial computational cost of incorporating material nonlinearity in the solution of solid finite element models, the thesis introduces the advantages of employing a computationally efficient implicit-explicit integration scheme to solve constitutive equations. The implicit-explicit integration method poses significant computational advantages over the explicit solution, providing larger time steps for efficient time history analyses. The intricacies of the IMPL-EX method, including the possible error accumulation, are carefully addressed here to ensure robust and accurate solutions. Within the scope of the thesis, new OpenSees source code has been developed in C++ to include additional implicit-explicit tools to solve soil-structure interaction problems. First, a novel, highly stable contact-friction element is implemented. Second, the implicit-explicit (IMPL-EX) versions of the well-known Pressure-dependent (PDMY02) (Yang et al., 2003) and Pressure-independent (PIMY) (Gu et al., 2011) multi-yield-surface materials are implemented. During impl-ex integration, the material internal parameters are extrapolated at the beginning of each step and then corrected via a single implicit iteration after convergence. Hence, a solution with controlled amount of error is guaranteed.

Questa tesi esplora le complesse dinamiche dell'interazione suolo-struttura, con particolare riferimento all'analisi sismica delle strutture in muratura. La natura rigida e fragile della muratura, in combinazione con il comportamento non lineare del terreno sottostante, rappresenta una sfida nell'individuazione dell'anello debole che potrebbe innescare un meccanismo di collasso. Questo studio offre nuove informazioni affrontando contemporaneamente le non linearità strutturali e del terreno, mantenendo un'aderenza fedele alle caratteristiche del comportamento della muratura e del suolo. L'obiettivo principale è comprendere i potenziali meccanismi inelastici e identificare le fonti di dissipazione di energia isteretica nell'analisi sismica dell'interazione suolo-struttura di edifici in muratura a fondazione superficiale. Inoltre, riconoscendo l'elevato costo computazionale dell'inclusione della non linearità dei materiali nella soluzione di modelli a elementi finiti solidi, la tesi introduce i vantaggi derivanti dall'impiego di uno schema di integrazione implicito-esplicito computazionalmente efficiente per risolvere le equazioni costitutive. Il metodo di integrazione implicito-esplicito (IMPL-EX) offre vantaggi computazionali significativi rispetto alla soluzione esplicita, consentendo l'uso di passi temporali più ampi per analisi efficienti di time history. Le complessità del metodo IMPL-EX, inclusa la possibile accumulazione di errori, sono accuratamente esaminate in questo lavoro per garantire soluzioni robuste e precise. Nell'ambito della tesi, è stato sviluppato un nuovo codice sorgente in OpenSees in C++ per includere strumenti implicito-espliciti aggiuntivi per la risoluzione di problemi di interazione suolo-struttura. In primo luogo, è stato implementato un nuovo elemento di contatto-attrito altamente stabile. In secondo luogo, sono state implementate le versioni implicito-esplicite dei noti materiali a multi-superfici di snervamento dipendenti dalla pressione (PDMY02) (Yang et al., 2003) e indipendenti dalla pressione (PIMY) (Gu et al., 2011). Durante l'integrazione IMPL-EX, i parametri interni del materiale vengono estrapolati all'inizio di ciascun passo e poi corretti attraverso una singola iterazione implicita dopo la convergenza, garantendo così una soluzione con un livello controllato di errore.