Finite Element Analysis of Failure Loads of Shallow Non-Yielding Foundations Subjected to Complex Loading Conditions

Analisi agli elementi finiti del carico di rottura di fondazioni superficiali che non possono snervarsi e soggette a condizioni di carico complesse. Nella pratica ingegneristica c’è un bisogno crescente di metodi computazionali robusti per valutare le condizioni di stato limite ultimo (SLU) di strutture soggette a condizioni di carico complesse e con geometrie complesse. Infatti, secondo le attuali normative le condizioni allo SLU devono essere considerate con attenzione, pertanto molti dei codici commerciali agli elementi finiti (FEM) e alle differenze finite (FD) disponibili sul mercato includono funzioni speciali per valutare le condizioni allo SLU (ad esempio il metodo della riduzione c-phi) che non sono solitamente basate su solide basi teoriche. Questo lavoro presenta la validazione di un metodo FEM che è stato proposto recentemente dagli autori ed è basato su un criterio di snervamento del tipo Mohr-Coulomb perfettamente plastico e su di un’innovativa formulazione iperelastica, i quali sono implementati in un codice FEM commerciale con procedure speciali di soluzione che includono la line-search. In particolare, in questo lavoro il metodo FEM proposto è applicato all’analisi del carico limite di fondazioni superficiali con livello di approfondimento nullo che poggiano su un suolo puramente attritivo in condizioni drenate e soggetto a condizioni di carico complesse (ovvero carichi centrati e inclinati, carichi verticali eccentrici e carichi inclinati eccentrici). La soluzione numerica di queste condizioni di rottura è nota per la sua elevata difficoltà. I risultati mostrano che i domini di rottura ottenuti dall’analisi FE combaciano con la media dei risultati sperimentali, sono consistenti con le stime basate sul limite superiore del teorema dell’analisi limite e sono molto vicini alle valutazioni convenzionali basate sul metodo dell’equilibrio limite e attualmente usato nella pratica ingegneristica.

In engineering practice there is an increasing need of robust computational methods for evaluating the ultimate limit state (ULS) conditions of engineering structures under complex loads and geometries. In fact, according to the modern codes of practice, the ULS conditions must be carefully considered, thus most of available commercial FEM and FD codes include special facilities for evaluating the ULS conditions (e.g., the c-phi reduction method) that are not usually based on firm theoretical bases. This work presents the validation of a FEM method that has been recently proposed by the Authors and is based on a perfectly plastic Mohr-Coulomb-like yield criterion and an innovative hyperelastic formulation that are implemented in a commercial FEM code with special line-search solution procedures. In particular, in this work the proposed FEM method is applied to the analysis of the limit load of a shallow foundation with null embedment depth, resting on a purely frictional soil under drained conditions and subjected to complex loads (namely, centred inclined loads, eccentric vertical loads, and eccentric inclined loads). The numerical solution of these failure conditions is well known to be very challenging. The results show that the failure domains obtained from FE analysis fit the average experimental results, are consistent with the estimates based on the upper bound theorems, and are very close to the conventional evaluations based on the limit equilibrium method and currently employed in engineering practice.