Dynamic response of piled structures. Implementation of a model based on the integral formulation of the problem and the use of a fundamental solution for the layered half space

Resumen

The original contribution of the proposed Ph. D. Thesis consists in the formulation and implementation of a numerical model for the dynamic analysis of pile foundations and piled structures on variable soil profiles. The developed model combines the integral formulation of the reciprocity theorem in elastodynamics with the use of a specific fundamental solution for the layered half space to represent the soil behaviour. On the other hand, pile-soil interaction is included by treating the piles as load lines acting within the terrain. The additional stiffness and inertial effects of the piles are considered by a finite element representation of them. The use of the advanced fundamental solution, which already satisfies the free surface and layer interface boundary conditions, makes unnecessary the discretization of these contours. In addition to this, the treatment of piles as load lines avoids any meshing of the pile-soil interface. As result, a rigorous and highly computational efficient model is obtained, which is formulated only in terms of the pile variables. Once the model is developed and validated, it is applied to a variety of problems with engineering interest: dynamic analysis of pile foundations (impedance functions, seismic response), the use of piles as ground vibration mitigation measure, and the dynamic characterization of structures for offshore wind turbines. In order to take advantage of the characteristics of the proposed model, these analyses are focused on the influence of the soil profile on the different response variables. La contribución original de la tesis que se presenta es la formulación e implementación de un modelo numérico para el análisis dinámico de cimentaciones de pilotes y estructuras pilotadas en suelos con perfiles variables. El modelo propuesto combina la formulación integral del teorema de reciprocidad en viscoelasticidad y el uso de una solución fundamental específica del semiespacio estratificado para representar el comportamiento del terreno. Por otro lado, la interacción suelopilote se incorpora mediante el tratamiento de los pilotes como líneas de carga que actúan dentro del terreno. Los efectos adicionales de rigidez e inercia correspondientes a los pilotes se introducen mediante una representación de elementos finitos de los mismos. El uso de la solución fundamental avanzada, que ya satisface las condiciones de superficie libre y compatibilidad entre estratos del terreno, elimina la necesidad de discretizar dichos contornos. Mientras que el tratamiento de los pilotes como líneas de carga evita el mallado de la intefase entre el suelo y los pilotes. Como consecuencia, se obtiene un modelo riguroso y altamente eficiente desde el punto de vista computacional, formulado exclusivamente en términos de las variables correspondientes a los pilotes. Una vez desarrollado y validado el modelo propuesto, éste se aplica a diferentes problemas de interés en ingeniería relacionados con el estudio dinámico de cimentaciones pilotadas (funciones de impedancia, respuesta sísmica), con el uso de barreras de pilotes como medida de mitigación de las vibraciones del terreno, y con la caracterización dinámica de estructuras de aerogeneradores marinos monopilotados. Con el fin de explotar las características del modelo desarrollado, dichos estudios se centran en el análisis de los efectos del perfil del terreno en las variables estudiadas.