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In order to minimize the probability of foundation failure resulting from cyclic action on structures, researchers have developed various constitutive models to simulate the foundation response and soil interaction as a result of these complex cyclic loads. The efficiency and effectiveness of these model is majorly influenced by the cyclic constitutive parameters. Although a lot of research is being carried out on these relatively new models, little or no details exist in literature about the model based identification of the cyclic constitutive parameters. This could be attributed to the difficulties and complexities of the inverse modeling of such complex phenomena. A variety of optimization strategies are available for the solution of the sum of least-squares problems as usually done in the field of model calibration. However for the back analysis (calibration) of the soil response to oscillatory load functions, this paper gives insight into the model calibration challenges and also puts forward a method for the inverse modeling of cyclic loaded foundation response such that high quality solutions are obtained with minimum computational effort. Therefore model responses are produced which adequately describes what would otherwise be experienced in the laboratory or field.

The aim of this study is to show an application of model robustness measures for soilstructure interaction (henceforth written as SSI) models. Model robustness defines a measure for the ability of a model to provide useful model answers for input parameters which typically have a wide range in geotechnical engineering. The calculation of SSI is a major problem in geotechnical engineering. Several different models exist for the estimation of SSI. These can be separated into analytical, semi-analytical and numerical methods. This paper focuses on the numerical models of SSI specific macro-element type models and more advanced finite element method models using contact description as continuum or interface elements. A brief description of the models used is given in the paper. Following this description, the applied SSI problem is introduced. The observed event is a static loaded shallow foundation with an inclined load. The different partial models to consider the SSI effects are assessed using different robustness measures during numerical application. The paper shows the investigation of the capability to use these measures for the assessment of the model quality of SSI partial models. A variance based robustness and a mathematical robustness approaches are applied. These different robustness measures are used in a framework which allows also the investigation of computational time consuming models. Finally the result shows that the concept of using robustness approaches combined with other model–quality indicators (e.g. model sensitivity or model reliability) can lead to unique model–quality assessment for SSI models.

Seismic analysis of structural response using simplified soil-structure interaction models

In der Dissertation wurden unterschiedliche Methoden zur Standortidentifizierung mit Oberflächenwellen analysiert. Es wurden neue Methoden zur Parameteridentifikation unter Nutzung von Oberflächenwellen vorgeschlagen. Die Ziele der Arbeit können wie folgt definiert werden: a) Die Entwicklung eines geeigneten theoretischen Modells als Grundlage zur Untersuchung des Standortes hinsichtlich vorhandener Bodensteifigkeiten. b) Die Entwicklung einer neuen Inversionsmethodik unter Berücksichtigung aller auftretenden Moden im Oberflächenwellenfeld. Die Erstellung eines Modells des vertikal heterogenen Untergrundes erfolgte im Frequenz-bereichs für beliebig geschichtete Böden, aufbereitet durch weitestgehend analytische Formulierungen. Durch Nutzung beliebiger horizontaler, elastisch-isotroper Schichten konnte die vertikale Heterogenität approximiert werden. Die Definition der Green'schen Funktionen wurde in Form der Reflexions- und Transmissionskoeffizienten durchgeführt. Die Lösung des formulierten Halbraumproblems erfolgte unter Verwendung der Konturintegration. Dazu wurde die Vorgehensweise der bestehenden Lösung des homogenen Halbraums auf das Problem des geschichteten Mediums übertragen. Die daraus sich ergebende Lösung ist in ein Körperwellen- und ein Oberflächenwellenfeld separiert. Der Vorteil dieser analytischen Betrachtungsweise liegt in der eindeutigen Zuordnungsmöglichkeit der erhaltenen Lösungen zu Wellentypen und in der klaren Dispersionscharakteristik der berechneten Modelle. Im Gegensatz dazu liefern numerische Lösungen, wie FEM, immer ein Wellenfeld, in dem die Wellentypen zugeordnet bzw. interpretiert werden müssen. Mit Hilfe der synthetischen Bodenmodellierung wird das Verhalten von geschichteten Böden bei durchlaufenden Oberflächenwellenfeldern simuliert und untersucht. Für die Untersuchung der Profile wurde hauptsächlich die Modale Superposition von Oberflächenwellen und die Wellenzahl-Integration verwendet. Bei der Analyse von Oberflächenwellenfeldern in vorhandenen Medien sind abweichend von den üblichen seismischen Methoden spezielle Untersuchungsmethoden zur Ermittlung der vorhandenen Dispersion notwendig. Zur Durchführung der Dispersionsanalyse wird in geotechnischen Untersuchungen in der Regel das Phasen-Differenzen-Verfahren (SASW) genutzt. Aufgrund der beschränkten Aussagefähigkeit dieses Verfahrens zu auftretenden höheren Moden werden verbesserte Analysemethoden zur experimentellen Auswertung hinzugezogen. Diese Methoden nutzen zur Informationsgewinnung das räumlich ausgedehnte Wellenfeld. Ausgehend von dem Dispersionsverhalten kann die Bodenstruktur mittels inverser Methoden bestimmt werden. Für die gemeinsame Inversion der in den Messungen vorhandenen Moden wurde ein entsprechendes Inversionsverfahren abgeleitet. Als Grundlage der Inversion wurde ein Verfahren des kleinsten Fehlerquadrates gewählt. Der Vorteil hinsichtlich einer effizienten und stabilen Inversion unter Nutzung dieser Methodik überwiegt den Nachteil der lokalen Suche nach dem Fehlerminimum. Zum Erreichen der stabilen und zielgerichteten Inversion wird der Levenberg-Marquardt Algorithmus, zusammen mit der Wichtung der Dispersionsäste entsprechend ihres Anregungsverhaltens in den Dispersionsspektren, eingesetzt. Von Vorteil hat sich innerhalb der Arbeit die gleichzeitige Behandlung von theoretischen und experimentellen Parameterstudien erwiesen, da sich Ergebnisse und Erkenntnisse beider Seiten ergänzten. Eine Interpretation von Felddaten kann damit weitaus sicherer durchgeführt werden. Zusätzlich konnten die erarbeiteten experimentellen und theoretischen Verfahren gegenseitig überprüft werden.

For the safe and efficient operation of dams, frequent monitoring and maintenance are required. These are usually expensive, time consuming, and cumbersome. To alleviate these issues, we propose applying a wave-based scheme for the location and quantification of damages in dams. To obtain high-resolution “interpretable” images of the damaged regions, we drew inspiration from non-linear full-multigrid methods for inverse problems and applied a new cyclic multi-stage full-waveform inversion (FWI) scheme. Our approach is less susceptible to the stability issues faced by the standard FWI scheme when dealing with ill-posed problems. In this paper, we first selected an optimal acquisition setup and then applied synthetic data to demonstrate the capability of our approach in identifying a series of anomalies in dams by a mixture of reflection and transmission tomography. The results had sufficient robustness, showing the prospects of application in the field of non-destructive testing of dams.