Georgia Efthymiou

• The present numerical study focuses on the problem of dynamic interaction of piled foundations under harmonic excitation at high frequencies relevant for the vibration protection practice. The finite-element programs Plaxis (2D & 3D) and Abaqus are employed for time- and frequency-domain analyses, respectively. As a first step, dynamic impedances of pile groups, piled rafts and embedded footings are derived for all oscillation modes in order to gain insight into the problem of inertial loading. Emphasis is placed on the kinematic response of single piles, pile groups and piled rafts to a wave field emanating from a distant stationary or moving harmonic vertical point load acting on the surface of the soil. Transfer functions, which are ratios relating the response of the foundation to that of the free-field, quantify the kinematic interaction. Only the vertical component of the response is assessed as mostly critical in the frame of the selected excitation. It is shown that a stationary harmonic load is a good approximation for a moving harmonic load; this is true for a travelling speed of the load that is relatively low in comparison with the Rayleigh wave velocity in the soil, which is quite common in engineering practice. Analogously, a static load is a good approximation of a moving load of constant magnitude. Moreover, analytical solutions are presented for single pile and pile group response under Rayleigh wave excitation, which can be also employed in the near-field, as shown herein. The extension of piled foundations by additional rows against the wave propagation direction is examined under the scope of vibration protection. Indeed, for a considerable frequency range, the further addition of pile rows to a piled foundation has a favorable effect on the reduction of the vibration level calculated at the furthest-back pile row or at the free-field behind the foundation. This is, however, not valid, as the excitation frequency increases further, and the interplay between the piles becomes more complex. On the other hand, the extension of the piled foundation by additional pile columns parallel to the wave propagation direction has a positive effect at high frequencies. The accuracy of the results is assessed by verification against rigorous solutions. The importance of key aspects in finite-element modelling is also highlighted.
• Die vorliegende numerische Studie befasst sich mit dem Problem der dynamischen Interaktion von Pfahlgründungen unter harmonischer Anregung bei hohen Frequenzen, die für die Praxis des Erschütterungsschutzes von Relevanz sind. Die Finite-Elemente-Programme Plaxis (2D & 3D) und Abaqus werden für Berechnungen im Zeit- bzw. Frequenzbereich eingesetzt. In einem ersten Schritt werden die dynamischen Impedanzen von Pfahlgruppen, kombinierten Pfahl–Plattengründungen und eingebetteten Fundamenten für alle Schwingungsmoden berechnet, um einen Einblick in das Problem der Trägheitsbelastung zu gewinnen. Der Schwerpunkt liegt auf der kinematischen Antwort von Einzelpfählen, Pfahlgruppen und kombinierten Pfahl–Plattengründungen auf ein Wellenfeld, welches infolge einer entfernten stationären oder bewegten harmonischen vertikalen Punktlast, die auf die Bodenoberfläche wirkt, entsteht. Die kinematische Wechselwirkung wird mit Hilfe von Übertragungsfunktionen beschrieben, d. h. von Verhältnissen, welche die Antwort des Fundaments auf die des Freifelds beziehen. Nur die vertikale Komponente der Antwort wird im Rahmen der gewählten Anregung als besonders kritisch bewertet. Es wird gezeigt, dass eine stationäre harmonische Last eine gute Näherung für eine bewegte harmonische Last ist; dies gilt für eine Lastgeschwindigkeit, die im Vergleich zur Rayleigh-Wellengeschwindigkeit im Boden relativ gering ist, was in der Ingenieurpraxis durchaus üblich ist. Analog dazu ist eine statische Last eine gute Annäherung an eine bewegte Last konstanter Magnitude. Darüber hinaus werden analytische Lösungen für die Antwort von Einzelpfählen und Pfahlgruppen unter Rayleigh-Wellenanregung vorgestellt, die – wie gezeigt – auch im Nahfeld verwendet werden können. Im Rahmen des Erschütterungsschutzes wird die Erweiterung von Pfahlgründungen um zusätzliche Reihen gegen die Wellenausbreitungsrichtung untersucht. Für einen beträchtlichen Frequenzbereich wirkt sich das Hinzufügen von Pfahlreihen in einer Pfahlgründung günstig auf die Abminderung der berechneten Schwingungen an der weitest zurückliegenden Pfahlreihe bzw. am Freifeld hinter der Gründung aus. Dies gilt jedoch für weiter ansteigende Frequenzen nicht, da das Zusammenspiel der Pfähle komplexer wird. Andererseits hat die Erweiterung der Pfahlgründung durch zusätzliche Reihen parallel zur Wellenausbreitungsrichtung bei hohen Frequenzen einen positiven Effekt. Die Genauigkeit der Ergebnisse wird durch Vergleich mit exakten Lösungen bewertet. Die Bedeutung von Schlüsselaspekten bei der Finite-Elemente-Modellierung wird ebenfalls hervorgehoben.