ECTS - University of Pisa
Scheda programma d'esame
GEOTECHNICAL AND STRUCTURAL DESIGN OF FOUNDATIONS
STEFANO STACUL
Academic year2023/24
CourseSTRUCTURAL AND BUILDING ENGINEERING
Code200HH
Credits3
PeriodSemester 2
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
FONDAZIONI E STRUTTURE DI FONDAZIONEICAR/07,ICAR/09LEZIONI60
ANNA DE FALCO unimap
STEFANO STACUL unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Lo studente che completa con successo il corso sarà in grado di definire la domanda sismica per la progettazione delle strutture. Lo studente avrà acquisito conoscenze sulla caratterizzazione dinamica dei terreni con prove di laboratorio ed in sito, sulle tecniche numeriche disponibili per svolgere studi di risposta sismica locale e sui metodi per valutare il fattore di sicurezza nei confronti della liquefazione. Lo studente sarà poi in grado di progettare le fondazioni (superificiali e profonde) di edifici e costruzioni civili, di eseguire le valutazioni di sicurezza nei confronti degli stati limite ultimi e di esercizio. Lo studente avrà acquisito conoscenze sui problemi di interazione terreno-fondazione-struttura in condizioni statiche e dinamiche. Per quanto concerne le fondazioni su pali, lo studente apprenderà i metodi per la valutazione dei momenti flettenti di natura cinematica e per la valutazione del Foundation Input Motion (FIM). Infine, per quanto concerne le fondazioni superficiali, lo studente sarà in grado di valutarne la capacità portante ed i cedimenti in condizioni sismiche. 
Knowledge

Students who successfully completes the course will be able to define the seismic demand for the design of structures. Students will have acquired knowledge on the dynamic characterization of soils with laboratory and in-situ tests, on the numerical techniques available to carry out seismic response analysis studies and on the methods for evaluating the factor of safety against soil liquefaction. Students will then be able to design the foundations (shallow and deep) of buildings and civil constructions, to carry out safety assessments with respect to the ultimate and serviceability limit states. Students will have acquired knowledge on soil-foundation-structure interaction problems in static and dynamic conditions. As regards pile foundations, students will learn the methods for evaluating bending moments due to pile-soil kinematic interaction and for evaluating the Foundation Input Motion (FIM). Finally, as regards shallow foundations, student will be able to evaluate their bearing capacity and settlements in seismic conditions.
Modalità di verifica delle conoscenze

Lo studente sarà valutato in base alla capacità dimostrata di discutere i principali contenuti del corso utilizzando la terminologia appropriata.
Assessment criteria of knowledge

The student will be assessed on his/her demonstrated ability to discuss the main course contents using the appropriate terminology.

Methods:

  • Final oral exam
Capacità
  • Lo studente sarà in grado di utilizzare strumenti di calcolo per eseguire studi di risposta sismica locale
  • Lo studente sarà in grado di utilizzare metodi semplificati per valutare il fattore di sicurezza nei confronti della liquefazione di terreni
  • Lo studente sarà in grado di utilizzare metodi semplificati per valutare le sollecitazioni flettenti di natura cinematica in pali di fondazione
  • Lo studente sarà in grado di utilizzare metodi semplificati per valutare il Foundation Input Motion
  • Lo studente sarà in grado di utilizzare metodi semplificati per la stima della capacità portante e dei cedimenti di fondazioni superificiali in condizioni sismiche
  • Lo studente sarà in grado utilizzare alcuni dei metodi disponibili per il dimensionamento di strutture fondazioni
Skills
  • Students will be able to use computational tools to perform seismic response analysis studies
  • Students will be able to use simplified methods to evaluate the factor of safety against soil liquefaction
  • Students will be able to use simplified methods to evaluate kinematic bending moments in pile foundations
  • Students will be able to use simplified methods to evaluate the Foundation Input Motion
  • Students will be able to use simplified methods for estimating the bearing capacity and settlements of shallow foundations in seismic conditions
  • Student will be able to use some of the available methods for the design of foundation structures
Modalità di verifica delle capacità

Durante il corso verranno svolti degli esercizi per verificare l'acquisizione da parte degli studenti degli obiettivi stabiliti
Assessment criteria of skills

During the course, exercises will be carried out to verify the students' acquisition of the established objectives
Comportamenti

Lo studente potrà acquisire e/o sviluppare sensibilità alle problematiche di interazione terreno-fondazione-struttura
Behaviors

Students will acquire and/or develop an awareness of soil-foundation-structure issues
Modalità di verifica dei comportamenti

Durante lo svolgimento degli esercizi saranno valutati il grado di accuratezza e precisione delle attività svolte
Assessment criteria of behaviors

During the execution of the exercises, the accuracy and precision of the activities carried out will be evaluated
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Laurea triennale e conoscenza di:

  • meccanica dei terreni (geotecnica)
  • fondazioni
  • scienza delle costruzioni
  • tecnica delle costruzioni

 
Prerequisites

Bachelor's degree and knowledge of:

  • soil mechanics (geotechnics)
  • foundation engineering
  • solid and structural mechanics
  • structural engineering
Indicazioni metodologiche

Frequenza: consigliata

Metodologia di apprendimento:

partecipazione alle lezioni
studio individuale
Frequenza: Non obbligatoria

Metodi di insegnamento:

Lezioni frontali
Teaching methods

Delivery: face to face

Learning activities:

  • attending lectures
  • individual study

Attendance: Not mandatory

Teaching methods:

  • Lectures

 
Programma (contenuti dell'insegnamento)

Modulo: Fondazioni

  • Pericolosità sismica di base e definzione azione sismica
  • Caratterizzazione dinamica dei terreni alle piccole, medie e grandi deformazioni (prove di laboratorio: colonna risonante, prove con Bender Elements, taglio torsionale ciclico, triassiale ciclica, taglio semplice ciclico)
  • Caratterizzazione dinamica dei terreni - Determinazione del profilo delle Vs con indagini in sito (prove in foro: Down-Hole, Cross-Hole, SCPT, SDMT; prove dalla superficie: sismica a rifrazione, SASW, MASW e prove passive H/V)
  • Analisi di risposta sismica locale, effetti di sito (stratigrafici, di valle e topografici). Funzioni si trasferimento, funzioni di amplificazione, parametri geotecnici e fisici-meccanici che regolano la risposta sismica locale. Soluzioni analitiche per condizioni ideali. Metodi numerici per condizioni reali: approccio lineare-equivalente (e i suoi limiti di applicabilità) e approccio non lineare. Fenomeni di risonanza singola e doppia.
  • Fondazioni su pali (azioni inerziali e cinematiche): metodi per il calcolo dei momenti flettenti dovuti al fenomeno dell'interazione cinematica; effetto filtro esercitato dai pali di fondazione e valutazione del Foundation Input Motion
  • Valutazione del fattore di sicurezza nei confronti della liquefazione dei terreni con metodi basati su prove in sito (prove CPTu e SPT). Limiti di questi metodi e considerazioni sul Magnitude Scale Factor
  • Effetti indotti dal sisma (incremento delle pressioni interstiziali e riduzione della resistenza in terreni a grana grossa e a grana fine), valutazione della deformazione volumetrica
  • Influenza della falda e dell'azione sismica sul carico limite di fondazioni superficiali
  • Cedimenti di fondazioni superficiali dovuti alla rottura del terreno di fondazione in condizioni sismiche
  • Fondazioni superficiali e profonde - Interazione terreno-struttura in campo dinamico - Valutazione delle rigidezze statiche, rigidezze dinamiche e impedenze dinamiche
  • Metodo delle sottostrutture

Modulo: Strutture di Fondazione

  • Definizione della domanda sismica per la progettazione delle strutture
  • Richiami di dinamica: oscillatore semplice
  • Forze statiche equivalenti
  • Spettro di risposta di progetto
  • Esempi di verifiche di strutture nella condizione di equilibrio rigido (EQU)
  • Combinazioni STR e GEO previste dalle Norme Tecniche
  • Descrizione delle tipologie di fondazioni: dirette, indirette, isolate e continue, fondazioni speciali. Tecnologia e comportamento statico
  • La progettazione delle strutture in capacità e il fattore di struttura (significato e definizioni)
  • Criteri per la scelta delle strutture di fondazione e principi della progettazione: ridondanza, robustezza, progettazione in capacità, funzionalità della sovrastruttura, rapporto costi-benefici e durabilità (esempi e situazioni pratiche)
  • Requisiti di durabilità delle fondazioni in c.a.
  • Introduzione al problema dell'interazione terreno-fondazione-sovrastruttura: problematiche e metodi semplificati
  • Calcolo delle sollecitazioni sulle strutture di fondazione mediante: metodo del trapezio delle tensioni, approccio della trave su suolo elastico di Winkler, metodo di Barden, metodo di Koenig-Sheriff
  • Interazione terreno-fondazione-struttura in campo dinamico. Lo smorzamento nell'interazione terreno-struttura (geometrico e viscoso). Cenni alla modellazione avanzata con analisi FEM
  • I cedimenti delle fondazioni: cause ed effetti sulle strutture. Limitazione dei cedimenti secondo l'Eurocodice 7. Effetti dei cedimenti differenziali sugli edifici esistenti
  • La modellazione nel calcolo delle fondazioni: metodo delle isostatiche e dei percorsi di carico. Teorema statico dell'analise limite.
  • Plinti rigidi: la diffusione del carico sui plinti tozzi e gli schemi a puntoni e tiranti. Valutazione degli sforzi su puntoni e tiranti e rispettiva verifica di sicurezza
  • Dimensionamento delle fondazioni e disposizione delle armature: plinti, travi rovesce, graticci, platee, platee nervate. Meccanismi di rottura dei pali in relazione alla tipologia di terreno.
Syllabus

Module: Foundations

  • Seismic hazard and definition of seismic action
  • Dynamic characterization of soils at small, medium and large deformations (laboratory tests: resonant column, tests with Bender Elements, cyclic torsional shear test, cyclic triaxial test, cyclic simple shear test)
  • Dynamic characterization of soils - Determination of the Vs profile with in-situ tests (Down-Hole, Cross-Hole, SCPT, SDMT, seismic refraction, SASW, MASW and H/V tests)
  • Seismic response analysis, site effects (stratigraphic, valley and topographic). Transfer functions, amplification functions, geotechnical and physical-mechanical parameters that influence the seismic response. Analytical solutions for ideal conditions. Numerical methods for real conditions: linear-equivalent approach (and its limits of applicability) and non-linear approach. Single and double resonance phenomena.
  • Pile foundations (inertial and kinematic actions): methods for calculating bending moments due to the phenomenon of kinematic interaction; filtering effect exerted by the piles and evaluation of the Foundation Input Motion
  • Evaluation of the factor of safety against soil liquefaction with methods based on in-situ tests (CPTu and SPT). Limitations of these methods and considerations on the Magnitude Scale Factor
  • Effects induced by the earthquake (increase in pore pressures and reduction in resistance in coarse-grained and fine-grained soils), evaluation of volumetric deformation
  • Influence of the water table and seismic action on the bearing capacity of shallow foundations
  • Settlements of shallow foundations due to failure of the foundation soil in seismic conditions
  • Shallow and deep foundations - Soil-structure interaction in the dynamic regime - Evaluation of static stiffness, dynamic stiffness and dynamic impedance
  • Substructure method

Module: Foundation Structures

  • Definition of the seismic demand for the design of structures
  • Recall of dynamics: single-degree-of-freedom linear oscillator
  • Equivalent static forces
  • Design response spectrum
  • Examples of verification of structures in the rigid equilibrium condition (EQU)
  • STRuctural and GEOtechnical combinations in Building Codes
  • Description of the types of foundations: shallow, deep, isolated and continuous, special foundations. Technology and static behavior
  • General concepts of Capacity Based Design
  • Criteria for the choice of foundation structures and design principles: redundancy, robustness, capacity design, functionality of the superstructure, cost-benefit ratio and durability (examples and practical situations)
  • Durability requirements for reinforced concrete foundations
  • Introduction to the problem of soil-foundation-superstructure interaction: simplified problems and methods
  • Calculation of the internal reactions on foundation structures using: Rigid mat method, beam on elastic foundation modelling (Winkler approach), Barden method, Koenig-Sheriff method
  • Soil-foundation-structure interaction in the dynamic regime. Damping in soil-structure interaction (geometric/radiation and viscous). Notes on advanced modeling with FEM analysis
  • Foundation settlement: causes and effects on structures. Limitation of settlements according to the Eurocode 7. Effects of differential settlements on existing buildings
  • The modeling in foundation calculations: isostatic and load path methods. Static theorem (or lower bound theorem)
  • Rigid footings. Strut and tie modelling
  • Preliminary design of the foundations and arrangement of the reinforcements. Pile foundation failure mechanisms.
Bibliografia e materiale didattico

Modulo: Fondazioni

Manuali di riferimento (italiano)

  • T. Crespellani, Dinamica dei terreni per le applicazioni sismiche, Dario Flaccovio, 2010.
  • G. Lanzo, F. Silvestri, Risposta Sismica Locale (teoria ed esperienze), Hevelius Edizioni, 1999.
  • Associazione Geotecnica Italiana (AGI), Aspetti geotecnici della progettazione in zona sismica: linee guida,  Patron Editore, 2005.
  • A. Chiaradonna, Valutazione del potenziale di liquefazione dei terreni. Metodi di analisi e applicazioni - Hevelius, 2020.

Manuali di riferimento (inglese)

  • S. Kramer, Geotechnical Earthquake Engineering, Prentice-Hall, 1996.
  • H-Y Fang, Foundation Engineering Handbook. Chapman & Hall, New York - London. Capitolo 5 Foundation Vibrations di George Gazeras, 1990.

Articoli scientifici e report a cui si fa riferimento nel corso

Argomento: Interazione cinematica palo-terreno e effetto filtro (FIM)

  • Di Laora, R., & Rovithis, E. (2021). Design of piles under seismic loading. Analysis of pile foundations subject to static and dynamic loading, 9780429354281-8.

Argomento: Liquefazione - Metodi basati sulle prove CPT ed SPT

  • T.L. Youd et al. 2001, LIQUEFACTION RESISTANCE OF SOILS: SUMMARY REPORT FROM THE 1996 NCEER AND 1998 NCEER/NSF WORKSHOPS ON EVALUATION OF LIQUEFACTION RESISTANCE OF SOILS
  • R.W. Boulanger, I.M. Idriss, 2014, CPT AND SPT BASED LIQUEFACTION TRIGGERING PROCEDURES, REPORT NO. UCD/CGM-14/01, UNIVERSITY OF CALIFORNIA AT DAVIS

Argomento: Capacità portante fondazioni superficiali in condizioni sismiche

  • Richards Jr, R., Elms, D. G., & Budhu, M. (1993). Seismic bearing capacity and settlements of foundations. Journal of Geotechnical Engineering, 119(4), 662-674.
  • Paolucci, R., & Pecker, A. (1997). Seismic bearing capacity of shallow strip foundations on dry soils. Soils and foundations, 37(3), 95-105.
  • Paolucci, R., & Pecker, A. (1997). Soil inertia effects on the bearing capacity of rectangular foundations on cohesive soils. Engineering structures, 19(8), 637-643.
  • Cascone, E., & Casablanca, O. (2016). Static and seismic bearing capacity of shallow strip footings. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 84, 204-223.
  • Cascone, E., Biondi, G., & Casablanca, O. (2019). Influence of earthquake-induced excess pore water pressures on seismic bearing capacity of shallow foundations. In Earthquake Geotechnical Engineering for Protection and Development of Environment and Constructions (pp. 566-581). CRC Press.

Modulo: Strutture di Fondazione

Manuali di riferimento (italiano)

  • C. Viggiani, Fondazioni, Hevelius Edizioni, 2002.
  • P. Pozzati, Metodi per il calcolo delle fondazioni, Zanichelli, 1953.
  • R. Lancellotta, J. Calavera, Fondazioni, McGraw-Hill, 1999.
  • J. Bowles, Fondazioni. Progetto e analisi, McGraw-Hill Education, 1991.

Manuali di riferimento (inglese)

  • J. Bowles, Foundation Analysis and Design, McGraw-Hill Education, 2001.
  • C. Viggiani, A. Mandolini, G. Russo, Piles and Pile Foundations, 2011.

Altri testi

  • Lezioni di fondazioni. Per gli allievi del Politecnico di Torino, McGraw-Hill Education, 2018.
  • P. Ventura, Fondazioni - Volume 1 Modellazioni (seconda edizione), Hoepli, 2019.
  • P. Ventura, Fondazioni - Volume 2 Applicazioni (seconda edizione), Hoepli, 2019.
Bibliography

Module: Foundations

Reference manuals (italian)

  • T. Crespellani, Dinamica dei terreni per le applicazioni sismiche, Dario Flaccovio, 2010.
  • G. Lanzo, F. Silvestri, Risposta Sismica Locale (teoria ed esperienze), Hevelius Edizioni, 1999.
  • Associazione Geotecnica Italiana (AGI), Aspetti geotecnici della progettazione in zona sismica: linee guida,  Patron Editore, 2005.
  • A. Chiaradonna, Valutazione del potenziale di liquefazione dei terreni. Metodi di analisi e applicazioni - Hevelius, 2020.

Reference manuals (english)

  • S. Kramer, Geotechnical Earthquake Engineering, Prentice-Hall, 1996.
  • H-Y Fang, Foundation Engineering Handbook. Chapman & Hall, New York - London. Capitolo 5 Foundation Vibrations di George Gazeras, 1990.

Journal papers and technical reports referred to in the course

Topic: Pile-soil kinematic interaction and filtering effect exerted by the piles (FIM)

  • Di Laora, R., & Rovithis, E. (2021). Design of piles under seismic loading. Analysis of pile foundations subject to static and dynamic loading, 9780429354281-8.

Topic: Soil Liquefaction - Methods based on CPT and SPT data

  • T.L. Youd et al. 2001, LIQUEFACTION RESISTANCE OF SOILS: SUMMARY REPORT FROM THE 1996 NCEER AND 1998 NCEER/NSF WORKSHOPS ON EVALUATION OF LIQUEFACTION RESISTANCE OF SOILS
  • R.W. Boulanger, I.M. Idriss, 2014, CPT AND SPT BASED LIQUEFACTION TRIGGERING PROCEDURES, REPORT NO. UCD/CGM-14/01, UNIVERSITY OF CALIFORNIA AT DAVIS

Topic: Bearing capacity of shallow foundations under seismic conditions

  • Richards Jr, R., Elms, D. G., & Budhu, M. (1993). Seismic bearing capacity and settlements of foundations. Journal of Geotechnical Engineering, 119(4), 662-674.
  • Paolucci, R., & Pecker, A. (1997). Seismic bearing capacity of shallow strip foundations on dry soils. Soils and foundations, 37(3), 95-105.
  • Paolucci, R., & Pecker, A. (1997). Soil inertia effects on the bearing capacity of rectangular foundations on cohesive soils. Engineering structures, 19(8), 637-643.
  • Cascone, E., & Casablanca, O. (2016). Static and seismic bearing capacity of shallow strip footings. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 84, 204-223.
  • Cascone, E., Biondi, G., & Casablanca, O. (2019). Influence of earthquake-induced excess pore water pressures on seismic bearing capacity of shallow foundations. In Earthquake Geotechnical Engineering for Protection and Development of Environment and Constructions (pp. 566-581). CRC Press.

Module: Foundation Structures

Reference manuals (italian)

  • C. Viggiani, Fondazioni, Hevelius Edizioni, 2002.
  • P. Pozzati, Metodi per il calcolo delle fondazioni, Zanichelli, 1953.
  • R. Lancellotta, J. Calavera, Fondazioni, McGraw-Hill, 1999.
  • J. Bowles, Fondazioni. Progetto e analisi, McGraw-Hill Education, 1991.

Reference manuals (english)

  • J. Bowles, Foundation Analysis and Design, McGraw-Hill Education, 2001.
  • C. Viggiani, A. Mandolini, G. Russo, Piles and Pile Foundations, 2011.

Other manuals (italian)

  • Lezioni di fondazioni. Per gli allievi del Politecnico di Torino, McGraw-Hill Education, 2018.
  • P. Ventura, Fondazioni - Volume 1 Modellazioni (seconda edizione), Hoepli, 2019.
  • P. Ventura, Fondazioni - Volume 2 Applicazioni (seconda edizione), Hoepli, 2019.
Modalità d'esame

Esame orale
Assessment methods

Oral exam
Updated: 27/02/2024 14:12