Optimization of Foundation Design for Onshore and/or Offshore Structures

La progettazione delle fondazioni profonde ha subito una trasformazione fondamentale nel corso dei decenni, allontanandosi dalla visione tradizionale in cui si assumeva che i pali sopportassero l'intero carico strutturale ignorando il contributo benefico offerto dalle pressioni al contatto platea-terreno. Sebbene applicazioni pionieristiche di pali utilizzati specificamente per mitigare i cedimenti siano state documentate già alla fine degli anni '50 – in particolare da Zeevaert (1957) nelle argille compressibili di Città del Messico – la formalizzazione concettuale di questo approccio è attribuita a Burland (1977), che ha introdotto la definizione dei pali come ‘riduttori di cedimento’. Tale approccio ha posto le basi per la moderna concezione delle fondazioni miste platea su pali (Piled Raft Foundations, PRF), in cui la platea e i pali lavorano in modo cooperativo per trasmettere i carichi al terreno. A seguito di questo cambiamento concettuale, la comunità scientifica ha ampiamente studiato i complessi meccanismi di interazione di questi sistemi. Mentre Poulos (2001) ha fornito un quadro di riferimento completo per la progettazione e l'applicazione, sono stati compiuti progressi riguardanti lo stato limite ultimo da de Sanctis e Mandolini (2006). Sebbene questi autori abbiano affinato la comprensione in merito ai carichi verticali centrati, l'interesse della ricerca si è progressivamente spostato verso scenari di carico generalizzati più complessi (Qu-Hu-Mu). Nella pratica convenzionale, la progettazione delle fondazioni su pali soggette a tali carichi si è tradizionalmente basata sul garantire che il palo maggiormente caricato non superi la propria capacità portante ultima individuale. Questo approccio trascura la duttilità intrinseca del sistema di fondazione e risulta, di conseguenza, spesso eccessivamente conservativo. Una svolta per superare questa limitazione è stata fornita da Di Laora et al. (2019), la cui soluzione sfrutta la duttilità del sistema per definire domini di rottura globali di un gruppo di pali nel piano Qu-Mu. Tuttavia, questa soluzione non tiene conto della resistenza supplementare offerta dal contatto platea-terreno. Questa omissione conduce inevitabilmente a un sovradimensionamento degli elementi di fondazione. Sebbene la sofisticata modellazione tridimensionale agli elementi finiti possa cogliere le complesse interazioni tra il sistema misto platea su pali e il terreno, tali metodi rimangono computazionalmente onerosi e spesso poco pratici per la progettazione di routine. Per far fronte a ciò, l'obiettivo principale di questa tesi è estendere l'approccio dei domini di rottura di Di Laora et al. (2019) al sistema misto platea su pali, fornendo strumenti analitici affidabili e computazionalmente efficienti per la pratica ingegneristica. Inoltre, vi è una carenza di evidenze sperimentali in vera grandezza, specialmente in presenza di azioni orizzontali, essenziali per la validazione di nuovi modelli teorici. Per colmare questa lacuna, la presente ricerca illustra la progettazione e l'allestimento di un campo sperimentale in vera grandezza di grande rilevanza. Tale sperimentazione fornirà un set di dati di campo unico e di alta qualità per affinare la progettazione di questi complessi sistemi, offrendo in definitiva un benchmark fondamentale per l'interazione meccanica tra la platea e i pali, sotto carichi sia verticali che orizzontali. Questi risultati sperimentali, unitamente ai relativi modelli numerici calibrati, saranno infine impiegati per validare la soluzione analitica proposta in questo lavoro. Il Capitolo 2 offre una revisione approfondita degli studi analitici e sperimentali documentati in letteratura riguardo alle fondazioni miste platee su pali. La letteratura in materia è molto vasta e affronta un'ampia gamma di aspetti, tra cui la ripartizione dei carichi (load sharing), gli effetti di interazione e i meccanismi di rottura. L'analisi abbraccia un ampio spettro di condizioni, che vanno dal carico verticale centrato alle azioni orizzontali e agli scenari di carico generalizzati. Un'attenzione particolare è rivolta all'analisi dei risultati sperimentali relativi al meccanismo di ripartizione dei carichi sia sotto carichi verticali centrati che orizzontali. Tale sezione sintetizza come il carico si ridistribuisce tra la platea e i pali sulla base dei dati sperimentali preesistenti, ottenuti in sito e in laboratorio. Questa revisione funge da riferimento cruciale per la campagna sperimentale in vera grandezza presentata in questa ricerca, fornendo le basi necessarie per la futura interpretazione dei dati sperimentali. Inoltre, il capitolo esamina la letteratura attuale in merito ai domini di interazione Q-H-M; in esso si evidenzia che, sebbene tali domini siano ampiamente indagati per fondazioni superficiali isolate e gruppi di pali, vi è una significativa mancanza di soluzioni per il sistema misto platea su pali. Questa lacuna costituisce la motivazione principale degli sviluppi analitici proposti nei capitoli successivi. Il Capitolo 3 indaga la risposta di fondazioni superficiali rettangolari su terreni coesivi soggette a carico verticale eccentrico. Mentre la letteratura esistente si affida principalmente a equazioni empiriche o approssimazioni di interpolazione per definire i domini di rottura di questi sistemi, l'elemento centrale di questo lavoro è una soluzione analitica in forma chiusa utile per mappare il dominio di rottura Qu-Mu per diverse inclinazioni del vettore momento, αM. La derivazione si basa sull'identificazione di tutti i possibili meccanismi di rottura, i quali coinvolgono otto distinte configurazioni topologiche dell'area di contatto tra la platea e il terreno. La fondazione è ipotizzata rigida, mentre si assume che il terreno si comporti come un materiale puramente coesivo con criterio di rottura di Tresca. Il contatto tra la fondazione e il terreno è ipotizzato perfettamente aderente a taglio, ma privo di resistenza a trazione. Sfruttando la simmetria geometrica, queste configurazioni vengono ridotte matematicamente a soli due casi generalizzati. Ipotizzando una distribuzione uniforme della reazione del terreno a rottura (tipica dei terreni coesivi), si ricava una soluzione analitica in forma chiusa attraverso l'equilibrio alla traslazione verticale e alla rotazione. Questa formulazione consente la costruzione del dominio di rottura nel piano Qu-Mu per qualsiasi valore generico dell'inclinazione del vettore momento (αM). La soluzione proposta è validata mediante analisi tridimensionali agli Elementi Finiti (FEM) con il codice di calcolo Plaxis 3D, utilizzando un approccio a controllo di spostamento con eccentricità costante. La corrispondenza con i risultati numerici dimostra l'efficacia della soluzione proposta per determinare le superfici di rottura delle fondazioni superficiali, rendendola utile sia per la pratica progettazione che come ingrediente per approcci di analisi più complessi. Il Capitolo 4 affronta il sistema misto platea su pali. A differenza della platea isolata analizzata nel capitolo precedente, l'elevata complessità dell'interazione platea-pali preclude una soluzione in forma chiusa per il dominio di interazione Qu-Mu di una fondazione mista in un terreno coesivo sotto un'imposta inclinazione del vettore momento (αM). Tuttavia, tale soluzione è ottenibile imponendo l'inclinazione dell'asse neutro (αN). Di conseguenza, utilizzando come componenti i domini della platea e del gruppo di pali, il dominio di rottura della platea su pali viene ottenuto variando la posizione dell'asse neutro per ogni αN e calcolando poi le forze esterne attraverso semplici considerazioni di equilibrio. Per agevolare le verifiche di progetto per uno specifico αM, si adotta una metodologia analoga all'analisi delle sezioni in calcestruzzo armato soggette a pressoflessione deviata. All'interno di questo quadro, la platea è modellata come la componente in calcestruzzo, che sopporta unicamente sforzi di compressione, mentre i pali sono trattati come gli elementi di armatura, tenendo conto delle loro distinte capacità ultime a trazione e compressione. Avvalendosi di una funzione interpolante, questo metodo permette di determinare la capacità del sistema per qualsiasi inclinazione richiesta del vettore momento αM. La validità dei domini proposti è stata verificata attraverso rigorose analisi FEM 3D con il codice di calcolo Plaxis 3D. Il modello è costituito da una fondazione mista, sottoposta a un carico verticale eccentrico, che poggia su un deposito argilloso caratterizzato da un legame costitutivo elastico perfettamente plastico con criterio di rottura di Tresca. Per garantire la coerenza metodologica, sono state condotte analisi separate per la sola platea, il palo singolo e il gruppo di pali, confrontando i risultati con la letteratura consolidata. Per quanto riguarda la modellazione strutturale, la platea è considerata infinitamente rigida, mentre i pali sono caratterizzati dall'impiego del Concrete Model per il volume cilindrico di calcestruzzo e da elementi beam elastico perfettamente plastici per le armature in acciaio, al fine di cogliere fedelmente l'interazione N-M della sezione trasversale del palo. L'eccellente accordo tra i risultati numerici e le previsioni analitiche sottolinea la robustezza del metodo proposto per le verifiche agli Stati Limite Ultimi (SLU). Inoltre, lo studio presenta i risultati di analisi numeriche condotte per tracciare i domini di interazione prestazionali associati a prefissati limiti di cedimento (w) o di rotazione (θ). Questi domini sono particolarmente utili quando gli stati limite di esercizio governano il processo progettuale. I risultati ottenuti da queste analisi numeriche forniscono un quadro solido e coerente per definire la risposta del sistema sotto i carichi operativi e per eseguire verifiche delle fondazioni prestazionali, fungendo da punto di partenza per il futuro sviluppo di strumenti analitici semplificati. Sebbene il quadro analitico sviluppato nel Capitolo 4 fornisca una soluzione per le fondazioni miste sotto carico verticale eccentrico (Qu-Mu), una comprensione completa degli scenari di carico generalizzati richiede di indagare la componente orizzontale (H) e i meccanismi di ripartizione dei carichi. Come passo fondamentale verso questa comprensione più ampia, il Capitolo 5 illustra in dettaglio un campo sperimentale in vera grandezza di elevata rilevanza, realizzato a Vicenza e finanziato da Webuild S.p.A. e RFI S.p.A., concepito per analizzare l'interazione terreno-struttura attraverso un vasto programma di prove. La campagna coinvolge pali singoli, un gruppo di pali e due platee su pali interrate con differenti Filling Factor (FF), tutti dotati di strumentazione avanzata tra cui sensori in fibra ottica, estensimetri, accelerometri, celle di pressione e celle di carico alle teste dei pali. La prima parte del capitolo espone le specifiche di progetto della sperimentazione e documenta le fasi di costruzione attraverso un reportage fotografico, includendo una completa caratterizzazione geotecnica del profilo stratigrafico. In questo quadro, il programma sperimentale si concentra sulla risposta dei sistemi di fondazione sotto carico statico. Nello specifico, i test verranno condotti su singoli pali isolati, gruppo di pali e platee su pali, sottoposti a carichi sia verticali che orizzontali e spinti fino a rottura. Confrontando la risposta del gruppo con quella dei singoli elementi, si definiranno gli ‘effetti di gruppo’, mentre il contributo specifico del contatto platea-terreno sarà quantificato valutando i risultati dei sistemi misti platee su pali. Inoltre, in ottemperanza alle innovazioni introdotte dalle NTC 2018 in materia di modellazione sismica, il programma sperimentale è stato esteso al campo dinamico per valutare la capacità dissipativa e l'interazione inerziale attraverso vincoli viscoelastici. Tuttavia, pur rappresentando questi test un'estensione significativa delle attività di cantiere, la loro interpretazione di dettaglio esula dagli scopi di questa tesi, che si concentra prevalentemente sulla risposta statica. La seconda parte del capitolo è dedicata alle analisi numeriche tridimensionali. Questa sezione affronta innanzitutto la calibrazione dei parametri meccanici sia per gli strati di terreno che per gli elementi strutturali. Sulla base di questa calibrazione, sono state condotte simulazioni avanzate per fornire un quadro predittivo della risposta sperimentale carico-spostamento. Le analisi sono state eseguite sia in condizioni drenate che in quelle non drenate – seguendo un approccio alle tensioni efficaci – nonché analisi di consolidazione, utilizzando una gerarchia di tre distinti modelli costitutivi (Mohr Coulomb, Hardening Soil e Hardening Soil small strain). Infine, i risultati sono confrontati con soluzioni analitiche presenti in letteratura per fornire una validazione preliminare dell'approccio numerico. Questa estesa attività sperimentale e di modellazione è pensata per soddisfare due finalità fondamentali. In primo luogo, permetterà di costituire un set di dati sperimentali unico e di alta qualità, essenziale per la ricerca futura e per lo sviluppo di nuovi modelli analitici. In secondo luogo, poiché i risultati della campagna non sono ancora disponibili, i futuri dati di campo consentiranno di raffinare le analisi numeriche qui presentate. Questa successiva fase di validazione sarà fondamentale non solo per valutare l'accuratezza predittiva dei modelli e ricavare informazioni cruciali sulla ridistribuzione dei carichi tra platea e pali, ma anche per validare la soluzione analitica proposta. In definitiva, questo elaborato si propone di fornire un contributo sia dal punto di vista analitico che sperimentale, ponendo le basi per una comprensione sempre più approfondita dell'interazione non lineare terreno-struttura.

The design of deep foundations has undergone a fundamental transformation over the decades, moving away from the traditional view in which piles were assumed to carry the entire structural load while ignoring the beneficial contribution offered by raft-soil contact pressures. Although pioneering applications of piles used specifically to mitigate settlements were documented as early as the late 1950s—notably by Zeevaert (1957) in the compressible clays of Mexico City—the conceptual formalization of this approach is attributed to Burland (1977), who introduced the definition of piles as ‘settlement reducers’. This approach laid the groundwork for the modern concept of Piled Raft Foundations (PRF), in which the raft and the piles work cooperatively to transmit loads to the ground. Following this conceptual shift, the scientific community has extensively studied the complex interaction mechanisms of these systems. While Poulos (2001) provided a comprehensive framework for design and application, advances concerning the ultimate limit state were made by de Sanctis and Mandolini (2006). Although these authors refined the understanding regarding centered vertical loads, research interest has progressively shifted toward more complex generalized loading scenarios (Q_u-H_u-M_u). In conventional practice, the design of pile foundations subjected to such loads has traditionally relied on ensuring that the most heavily loaded pile does not exceed its individual ultimate bearing capacity. This approach neglects the intrinsic ductility of the foundation system and consequently is often excessively conservative. A breakthrough to overcome this limitation was provided by Di Laora et al. (2019), whose solution exploits system ductility to define global failure domains of a pile group in the Q_u-M_u plane. However, this solution does not account for the additional resistance offered by the raft-soil contact. This omission inevitably leads to an oversizing of the foundation elements. Although sophisticated three-dimensional finite element modeling can capture the complex interactions between the piled raft system and the soil, such methods remain computationally demanding and often impractical for routine design. To address this, the main objective of this thesis is to extend the failure domain approach of Di Laora et al. (2019) to the piled raft system, providing reliable and computationally efficient analytical tools for engineering practice. Furthermore, there is a scarcity of full-scale experimental evidence, especially under horizontal actions, which is essential for validating new theoretical models. To bridge this gap, this research illustrates the design and setup of a full-scale experimental field of major significance. Such experimentation will provide a unique, high-quality field dataset to refine the design of these complex systems, ultimately offering a fundamental benchmark for the mechanical interaction between the raft and the piles under both vertical and horizontal loads. These experimental results, together with their calibrated numerical models, will finally be employed to validate the analytical solution proposed in this work. Chapter 2 offers an in-depth review of analytical and experimental studies documented in the literature regarding piled raft foundations. The relevant literature is vast and addresses a wide range of aspects, including load sharing, interaction effects, and failure mechanisms. The analysis spans a broad spectrum of conditions, ranging from centered vertical loads to horizontal actions and generalized loading scenarios. Particular attention is devoted to analyzing experimental results concerning the load-sharing mechanism under both centered vertical and horizontal loads. This section synthesizes how the load is redistributed between the raft and the piles based on pre-existing experimental data obtained in situ and in the laboratory. This review serves as a crucial reference for the full-scale experimental campaign presented in this research, providing the necessary basis for the future interpretation of experimental data. Additionally, the chapter examines current literature regarding Q-H-M interaction domains; it highlights that while these domains are extensively investigated for isolated shallow foundations and pile groups, there is a significant lack of solutions for the piled raft system. This gap constitutes the primary motivation for the analytical developments proposed in subsequent chapters. Chapter 3 investigates the response of rectangular shallow foundations on cohesive soils subjected to eccentric vertical loading. While existing literature mainly relies on empirical equations or interpolation approximations to define the failure domains of these systems, the core element of this work is a closed-form analytical solution useful for mapping the Q_u-M_u failure domain for various moment vector inclinations, α_M. The derivation is based on the identification of all possible failure mechanisms, which involve eight distinct topological configurations of the contact area between the raft and the soil. The foundation is assumed rigid, while the soil is assumed to behave as a purely cohesive material obeying the Tresca failure criterion. The contact between the foundation and the soil is assumed to be perfectly adhesive in shear, but devoid of tensile resistance. Taking advantage of geometric symmetry, these configurations are mathematically reduced to just two generalized cases. Assuming a uniform distribution of soil reaction at failure (typical of cohesive soils), a closed-form analytical solution is derived through vertical translation and rotation equilibrium. This formulation allows the construction of the failure domain in the Q_u-M_u plane for any generic value of the moment vector inclination (α_M). The proposed solution is validated through three-dimensional Finite Element (FE) analyses using the Plaxis 3D software, employing a displacement-controlled approach with constant eccentricity. The correspondence with numerical results demonstrates the effectiveness of the proposed solution for determining the failure surfaces of shallow foundations, making it useful both for practical design and as an ingredient for more complex analysis approaches. Chapter 4 addresses the piled raft system. Unlike the isolated raft analyzed in the previous chapter, the high complexity of raft-pile interaction precludes a closed-form solution for the Q_u-M_u interaction domain of a mixed foundation in a cohesive soil under a given moment vector inclination (α_M). However, such a solution is obtainable by imposing the inclination of the neutral axis (α_N). Consequently, using the domains of the raft and the pile group as components, the failure domain of the piled raft is obtained by varying the position of the neutral axis for each α_N and then calculating the external forces through simple equilibrium considerations. To facilitate design verifications for a specific α_M, a methodology analogous to the analysis of reinforced concrete sections subjected to biaxial bending is adopted. Within this framework, the raft is modeled as the concrete component, which solely withstands compression stresses, while the piles are treated as the reinforcement elements, accounting for their distinct ultimate tensile and compressive capacities. Utilizing an interpolating function, this method allows the system capacity to be determined for any required inclination of the moment vector α_M. The validity of the proposed domains was verified through rigorous 3D FE analyses with the Plaxis 3D software. The model consists of a piled raft foundation subjected to eccentric vertical loading, resting on a clay deposit characterized by an elastic perfectly plastic constitutive law with the Tresca failure criterion. To ensure methodological consistency, separate analyses were conducted for the raft alone, the single pile, and the pile group, comparing the results with consolidated literature. Regarding structural modeling, the raft is considered infinitely rigid, while the piles are characterized by the use of the Concrete Model for the cylindrical concrete volume and elastic perfectly plastic beam elements for the steel reinforcements, in order to accurately capture the N-M interaction of the pile cross-section. The excellent agreement between numerical results and analytical predictions highlights the robustness of the proposed method for Ultimate Limit State (ULS) verifications. Furthermore, the study presents the results of numerical analyses conducted to trace performance-based interaction domains associated with preset settlement (w) or rotation (θ) limits. These domains are particularly useful when serviceability limit states govern the design process. The results obtained from these numerical analyses provide a solid and consistent framework to define the system response under operational loads and to perform performance-based foundation verifications, serving as a starting point for the future development of simplified analytical tools. Although the analytical framework developed in Chapter 4 provides a solution for piled rafts under eccentric vertical loading (Q_u-M_u), a comprehensive understanding of generalized loading scenarios requires investigating the horizontal component (H) and load-sharing mechanisms. As a fundamental step toward this broader understanding, Chapter 5 illustrates in detail a high-significance full-scale experimental field constructed in Vicenza and funded by Webuild S.p.A. and RFI S.p.A., designed to analyze soil-structure interaction through an extensive testing program. The campaign involves single piles, a pile group, and two underground piled rafts with different Filling Factors (FF), all equipped with advanced instrumentation including fiber optic sensors, strain gauges, accelerometers, pressure cells, and load cells at the pile heads. The first part of the chapter outlines the design specifications of the experiment and documents the construction phases through a photographic report, including a complete geotechnical characterization of the stratigraphic profile. Within this framework, the experimental program focuses on the response of foundation systems under static loading. Specifically, tests will be conducted on isolated single piles, a pile group, and piled rafts, subjected to both vertical and horizontal loads and pushed to failure. By comparing the response of the group with that of the individual elements, ‘group effects’ will be defined, whereas the specific contribution of the raft-soil contact will be quantified by evaluating the results of the piled raft systems. Furthermore, in compliance with the innovations introduced by NTC 2018 regarding seismic modeling, the experimental program has been extended to the dynamic field to evaluate dissipative capacity and inertial interaction through viscoelastic constraints. However, while these tests represent a significant extension of site activities, their detailed interpretation is beyond the scope of this thesis, which focuses predominantly on static response. The second part of the chapter is dedicated to three-dimensional numerical analyses. This section first addresses the calibration of mechanical parameters for both soil layers and structural elements. Based on this calibration, advanced simulations were conducted to provide a predictive framework for the experimental load-displacement response. Analyses were performed under both drained and undrained conditions—following an effective stress approach—as well as consolidation analyses, utilizing a hierarchy of three distinct constitutive models (Mohr-Coulomb, Hardening Soil, and Hardening Soil with small-strain stiffness). Finally, the results are compared with analytical solutions present in the literature to provide a preliminary validation of the numerical approach. This extensive experimental and modeling activity is designed to fulfill two fundamental purposes. First, it will establish a unique, high-quality experimental dataset essential for future research and the development of new analytical models. Second, since the results of the campaign are not yet available, future field data will allow the numerical analyses presented herein to be refined. This subsequent validation phase will be crucial not only to evaluate the predictive accuracy of the models and derive crucial information on load redistribution between raft and piles, but also to validate the proposed analytical solution. Ultimately, this work aims to provide a contribution from both an analytical and an experimental standpoint, laying the foundations for an increasingly deep understanding of non-linear soil-structure interaction