A Novel Approach for Performance-Based Design of Piles and Shafts under Liquefaction using Coupled Nonlinear Soil-Structure Interaction Analysis

RÉSUMÉ: L'épandage latéral et la liquéfaction des sols constituent l'un des défis de conception pour les ponts, les bâtiments, les structures portuaires et marines. Il existe différentes méthodes simplifiées pour étudier le comportement des structures dans de telles conditions de sol. Cependant, dans les cas où les forces et les mouvements du sol sont importants, une charnière en plastique peut être générée dans la structure, ce qui ajoute à la complexité du système. Pour éviter cela, la pratique générale consiste à augmenter la capacité du pieu et de l’arbre, ce qui augmente à son tour la charge du sol. Dans certains cas, les charges de sol augmentent même plus rapidement que la capacité du pieu, ce qui rend finalement impossible la conception d'une structure conventionnelle basée sur les approches déterministes fournies par les normes de conception. En utilisant l'interaction complexe de toutes les contraintes générées dans la structure, cette étude présente une approche simplifiée basée sur une analyse couplée non linéaire du sol et de la structure. Il est démontré que lorsque le pieu entre dans la plage non linéaire de la réponse du matériau, il limite les charges pouvant être générées dans le pieu. Cela aide le concepteur à dépasser les limites de la méthode de conception traditionnelle basée sur les forces et à utiliser l'approche de conception basée sur les performances plus robuste, qui prend en compte une réponse plus précise du système.

ABSTRACT: One of the design challenges for bridges, buildings, port and marine structures is lateral spreading and ground liquefaction. There exist various simplified methods to study the behavior of structures in such soil conditions. However, in cases with large soil forces and movements, a plastic hinge may be generated in the structure, which adds to the complexity of the system. To avoid this, the general practice is to increase the capacity of the pile and shaft, which in turn increases the soil loads. In some cases, the soil loads increase at even a faster rate than the pile capacity, which ultimately makes it impossible to design a conventional structure based on the deterministic approaches provided by design standards. Using the complex interaction of all stresses generated in the structure, this study presents a simplified approach based on a coupled nonlinear analysis of both the soil and the structure. It is demonstrated that when the pile enters the nonlinear range of the material response, it puts a limit on the loads that can be generated in the pile. This helps the designer move beyond the boundaries of traditional force-based design method, and use the more robust performance-based design approach, where a more accurate response of the system is taken into consideration.