Respuesta de Sitio en Suelos - inicio · Respuesta de un Perfil de Suelo a Ondas ... al momento de...
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Respuesta de Sitio en Suelos
Xavier Vera Grunauer, Ph.D., D.GE., A.M. ASCE Director
Instituto de Ingeniería (IIFIUC) de la Universidad Católica de Santiago de Guayaquil.
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Roca Formación Cayo (Estación UCSG) NO ROCA IGNEA (PIÑON) Estación Pascuales
CH
@ 150m
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3
Principales factores que influyen en los efectos locales del sitio (Romo et al., 2000) Sismológicos • Intensidad y contenido de frecuencias de los movimientos
sísmicos de roca basal • Duración de los movimientos en roca basal
Geológicos • Estructuras geológicas locales • Tipo de roca subyacente • Características estratigráficas: espesor de los depósitos y tipos
de suelos Geotécnicos • Características de vibración elástica de los depósitos de suelo
• Compor tamiento no lineal del suelo • Impedancia relativa entre la roca basal y los depósitos de
suelo sobreyacientes Geométricos • Depósitos de suelo estratificados no horizontales
• Topografía de la interfaz suelo – roca basal • Configuración de la cuenca
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Tk sta'on Vs30= 800 m/s Suelo 'po B (NEC-‐15)
ERU sta'on Vs30= 101 m/s Suelo 'po F (NEC-‐15) TT sta'on Vs30= 178 m/s Suelo 'po F (NEC-‐15)
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2D Graph 1
0 20 40 60 80 100
Acc
eler
atio
n (g
)
-0.04
-0.03
-0.02
-0.01
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0 20 40 60 80 100
Acc
eler
atio
n (g
)
-0.04
-0.03
-0.02
-0.01
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
Time (sec)
0 20 40 60 80 100
Acc
eler
atio
n (g
)
-0.04
-0.03
-0.02
-0.01
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
2D Graph 1
0 20 40 60 80 100
Vel
ocity
(cm
/sec
)
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
0 20 40 60 80 100
Vel
ocity
(cm
/sec
)
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
Time (sec)
0 20 40 60 80 100
Vel
ocity
(cm
/sec
)
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
2D Graph 1
0 20 40 60 80 100
Dis
plac
emen
t (cm
)
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
0 20 40 60 80 100
Dis
plac
emen
t (cm
)
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Time (sec)
0 20 40 60 80 100
Dis
plac
emen
t (cm
)
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Station TT, WE motion 30/07/2012
Station ERU, WE motion 30/07/2012
Station TK, WE motion 30/07/2012
Vs30 = 101m/s
Vs30 = 178m/s
Vs30 = 800m/s
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T (sec)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
S a/PG
A
0
1
2
3
4
5
6
TK, WE, NF Motion, Mw 4.9, R= 28kmNSTK, WE, FF Motion, Mw 5.3,. R = 100kmNSTK, WE, FF Motion, Mw 5.2, R= 136 kmNS
T (sec)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
S a/PG
A
0
1
2
3
4
5
6
TT, WE, NF Motion, Mw 4.9, R= 17kmNSTT, WE, FF Motion, Mw 5.3,. R = 102kmNSTT, WE, FF Motion, Mw 5.2, R= 134 kmNS
T (sec)
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
S a/PG
A
0
1
2
3
4
5
6
ERU, WE, NF Motion, Mw 4.9, R= 23kmERU, NSERU, WE, FF Motion, Mw 5.3,. R = 101kmERU, NSERU, WE, FF Motion, Mw 5.2, R=136 KmERU, NS
5% structural damping
ERU Station (Vs30 = 101 m/s)
5% structural damping
TT Station (Vs30 = 178 m/s)
5% structural damping
TK Station (Vs30 = 800 m/s)
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R = 101 Km Mw = 5.2
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R = 23 Km Mw = 4.9
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Relación de impedancia y deconvolución
Within motion
Within motion (rock) = f (αz, Msuelo, Tsuelo)
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Kaklamanos et al (2013)
Kim et al (2013) Cuando usar análisis Lineales Equivalentes
Vs Nolineales
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Métodos de análisis de respuesta de sitio 1D- vertical
Layer1 G1,ρ1
mi=ρi.hi
2 G2,ρ2
i Gi,ρi
n Gn,ρn
m1/2
mn/2CE=ρnVSE kn,cn
k2,c2
k1,c1 h1
h2
hn
GE,ρE
Layer PropertiesG : shear modulusρ : densityVs: shear wave velocityh : thickness
Equivalent LumpedMass Modelk: stiffnessc: viscous damping
Elastic Rock Base
tzu
zuG
tu
∂∂∂
+∂∂
=∂∂
2
3
2
2
2
2
ηρMulti-degree of freedom lumped parameter model
[ ]{ } [ ]{ } [ ]{ } [ ]{ } guIMuCuKuM !!!!! −=++
[ ] [ ] [ ]KMC RR βα +=
Modelo de masas distribuidas, NL Modelo de propagación de ondas, LE
Mov. Armonico Est. Estable
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2004 Mw 6.0 Parkfield Earthquake (PGA = 0.07g) Igual sismo pero escalado para PGA = 1.0g
(γmax= 0.01%) (γmax= 6%)
(Hutabarat, 2016)
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Respuesta de un Perfil de Suelo a Ondas Sísmicas: Modelo Matemático
• Tres factores modifican ondas sísmicas propagándose de roca basal a la
superficie:
– Resonancia
– Conservación de energía
• Al pasar de un material más rígido a uno menos rígido la amplitud de
onda aumenta
– Amor'guamiento del suelo atenúa las ondas sísmicas
• Amor'guamiento en suelos es mucho mayor al amor'guamiento en rocas
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Respuesta de un Perfil de Suelo a Ondas Sísmicas: Resonancia
• ¿Por qué hay amplificación?
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15
Anàlisis LINEAL EQUIVALENTE – SHAKE 2000
tzu
zuG
tu
∂∂∂
+∂∂
=∂∂
2
3
2
2
2
2
ηρ
ξω
=ηG2
ωηiGG +=∗
Amplitud de ondas en capa m
Desplaz. horizontal
Amplitud de ondas en capa m+1
La propagación de la energía de la Onda de una capa m a m+1 es controlada por la relación impedancia Compleja:
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Respuesta de un Perfil de Suelo a Ondas Sísmicas: Metodología
Aceleraciones en roca en el dominio del 'empo aR(t)
Transformada de Fourier Aceleraciones en roca en el dominio de la frecuencia
AR(f)
As(f) = |F|AR(f)
Obtener una función de transferencia |F| (Función de las propiedades del perfil de suelos)
Aceleración en suelo en el dominio del tiempo as(t)
Aceletraciones en suelo en el dominio de la frecuencia As(f)
Transformada inversa de Fourier
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Input (Roca)
Output (suelo)
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Respuesta de un Perfil de Suelo a Ondas Sísmicas
sVH
Fω
ωcos1)( =
• Ejemplo 1: Suelo elás'co sobre roca rígida (no amor'guamiento)
F1(ω)
s0s
s0
s
0
VH42T
H2V2V
H
=ωπ
=
π=ω
π=
ω
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Modelos numéricos de respuesta Nolineal
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22
Layer1 G1,ρ1
mi=ρi.hi
2 G2,ρ2
i Gi,ρi
n Gn,ρn
m1/2
mn/2CE=ρnVSE kn,cn
k2,c2
k1,c1 h1
h2
hn
GE,ρE
Layer PropertiesG : shear modulusρ : densityVs: shear wave velocityh : thickness
Equivalent LumpedMass Modelk: stiffnessc: viscous damping
Elastic Rock Base
Multi-degree of freedom lumped parameter model
[ ]{ } [ ]{ } [ ]{ } [ ]{ } guIMuCuKuM !!!!! −=++
[ ] [ ] [ ]KMC RR βα +=
τ
γ (%)
Gsec1
Gsec2
Backbone Curve
Initial LoadingCurve
SubsequentLo ading & Unloading Curves
τ2
τ1
γ1
γ2
s
r
mos
mo
mo
mo G
G
G
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
=
γγ
β
γ
γτ
β
γτ
11
Anàlisis NO LINEAL – DMOD 2000
τ
γ
1
Gmax τmo
γr=τmo/Gmax
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Calibración modelo MKZ arcilla de GYE
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Modelo general quadrático/hiperbolico (GQ/H) • El modelo GQ/H (Groholski et
al., 2015) permite definir la resistencia al corte del suelo al momento de la falla permitiendo representar la no linealidad del suelo en bajos niveles de deformación
• El comportamiento no lineal se controla mediante una función de ajuste de curva dependiente de la deformación unitaria de corte
• Implementado en el software
Deepsoil (Hashash et al., 2016)
• Formulación:
• Parámetros de ajuste de curvatura:
Donde τ es el esfuerzo al corte, τmax es la resistencia al momento de la falla, γ es la deformación unitaria al corte, γr es la deformación al corte de referencia, y θt es el parámetros de ajuste de curvatura.
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• Curvas de degradación
– Se define un valor del esfuerzo de corte (τ) a altas deformaciones
– Mejora el control de la curva de reducción del módulo, reduce la amplificación o degradación al tener un nivel de resistencia real
Groholski et al. (2015)
Modelo general quadrático/hiperbolico (GQ/H)
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Modelo general quadrático/hiperbolico (GQ/H)
• Influencia en los análisis de respuesta de sitio – Groholski et al. (2015)
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Modelo general quadrático/hiperbolico (GQ/H)
• Influencia en los análisis de respuesta de sitio – Hutabarat (2016)
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• Influencia en los análisis de respuesta de sitio – Proyecto Microzonificación Sísmica de Esmeraldas
Geoestudios (2017)
Modelo general quadrático/hiperbolico (GQ/H)
• Ajuste curva de degradación y amortiguamiento para materiales finos:
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
G/G
max
Darendeli (2001)GQ/H (Groholski et al., 2015)
0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10Shear Strain (%)
0
5
10
15
20
25
Dam
ping
(%)
0 2 4 6 8 10Shear Strain (%)
0
20
40
60
Shea
r Stre
ngth
(kPa
)
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Parámetros dinámicos de suelos
ü Perfil de Vs en campo.
Gmax = ρ (Vs)2 , ρ = γt /g ü Curva, dependiente de la deformación,
de reducción del modulo de corte normalizado (G/Gmax vs. γ)
ü Curva, dependiente de la deformación,
del amortiguamiento del material (λ vs. γ) ü Resistencia al corte (Su or tanφ’)
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Sitio donde se observó licuación, Terrappen Briceño
Ref: Arroyo, J (2017)
DPCH (Crosshole, 2 scptu, Dr. Cox (UT AUSTIN) MASW + MAM Geoestudios, Nestor SDMT (Dilatometro dinamico) Dr. Amoroso SCPT (Downhole) SUBTERRA, Ing. Illingworth
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Darendeli (2001)
PI constante Esfuerzo confinante constante
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Volumetric Threshold Strain
Vucetic (1994)
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Normalized Response
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Field Strain-Dependent Shear Modulus Reduction Curve
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Vs
Te (s)
T e i (
sec)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Te1 from 4H@half-space/Vs*1:1Te2 from 4H@300 m/s/ Vseq
Te3 from H/V ratio CMTe4 from 120/Vs30
Elastic Site Period,Te (Te5, based on SHAKE model), sec0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
T ei /
T e5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
4.1, from Te3
a)
b)
Vs* =(∑ Vsi.Hi)/Htotal, Te1 = 4Htotal/Vs*
ERU (AGYE2)
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Seismic calibra'on
Te =1.55s
Site ERU
(14M
Pa) 1
t/plg2
(21M
Pa) 1
.5t/plg2
(24M
Pa) 1
.75t/plg
2
Pres. H
id. B
H
Lulita oliva marron (fragmentos)
Vs (m/s)
Depth (m
)
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38
Cyclic Shear Strain (%)0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10
Gse
c / G
max
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Trend for GYE-BSF 14.5m PI~51, Recomp CTX σ'c=62KPaTrend for GYE-TI 8.5m PI~80 ,SHANSEP OCR=1 CTX σ'c=68KPa Kokusho et al (1982) upper bound , alluvial NC clays JAPAN, PI= 40-90, σ`c=16-62KPa, CTXKokusho et al (1982) lower bound, alluvial NC clays JAPAN, PI = 40 - 90, σ`c=16-62KPa, CTXTeachavoransinskun et al (2002) upper & lower range,Bangkok clays, PI=30-45,σ`c =50-250KPaNagase, H et al (2006) Ariake Clay, PI = 93, σ`c= 31KPa, Torsional Shear Test
Sun, Golesorkhi, Seed (1988) ref; Argudo y Yela (1993)
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39
Cyclic Shear Strain (%)0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10
Dam
ping
(%)
0
5
10
15
20
25
30
GYE-BSF 14.5m PI~51, Recomp CTX σ'c=62KPaGYE-TI 8.5m PI~80 ,SHANSEP OCR=1 CTX σ'c=68KPaGYE-BSF 8.35mPI~60,SHANSEP OCR=1 CSS σ'c=152KPaGYE-TI 7.35m PI~44, SHANSEP OCR=1 CSS σ'c=71KPaGYE-TI 6.35m PI~52, Recomp CSS, σ'c=35KPaTeachavoransinskun et al (2002) upper & lower range for soft Bangkok clays, PI=30-45,σ`c =50-250KPaKokusho et al (1982) lower bound for soft alluvial NC clays JAPAN, PI = 40 - 90, σ`c=16-62KPa, CTXNagase, H et al (2006) Ariake Clay, PI = 93, σ`c= 31KPa, Torsional Shear Test
Sun, Golesorkhi, Seed (1988) ref; Argudo y Yela (1993)
Cyclic Simple Shear and Cyclic Triaxial tests, N=2 @ 0.5Hz
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T (s)
0.01 0.1 1
S a (g)
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
Measured ERU FF-NSInput TK FF-NS (Deconvoluted outcropping)Estimation ERU FF-NS (Shake)Estimation ERU FF-NS (DMOD)
T (s)
0.01 0.1 1
S v (m
/s)
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
Measured ERU FF-NSInput TK FF-NS (Deconvoluted outcropping) Estimation ERU FF-NS (Shake)Estimation ERU FF-NS (DMOD)
T (s)0.01 0.1 1
S d (m
)
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
Measured ERU FF-NSInput TK FF-NS (Deconvoluted outcropping) Estimation ERU FF-NS (Shake)Estimation ERU FF-NS (DMOD)
T (s)
0.01 0.1 1
S a/PG
A
0
1
2
3
4
5
6Measured ERU FF-NSEstimation ERU FF-NS (Shake)Estimation ERU FF-NS (DMOD)
T (s)
0.01 0.1 1
S v /PG
V
0
1
2
3
4
5
6Measured ERU FF-NSEstimation ERU FF-NS (Shake)Estimation ERU FF-NS (DMOD)
T (s)0.01 0.1 1
S d/PG
D
0
1
2
3
4
5
6
Measured ERU FF-NSEstimation ERU FF-NS (Shake)Estimation ERU FF-NS (DMOD)
Sismo 30 /7/2012
R =101 km Subduction event Mw = 5.3
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20 30 40 50 60 70 80
Acc
eler
atio
n (g
)
-0.04
-0.02
0.00
0.02
0.04
Time (sec)
20 30 40 50 60 70 80
Dis
plac
emen
t (cm
)
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Surface recorded ground motion, NS component (FF, 30/07/2012)Surface modeled ground motion, SHAKE analysis Surface modeled ground motion, DMOD analysis (Total Stress)
20 30 40 50 60 70 80
Vel
ocity
(cm
/sec
)
-4
-2
0
2
4
Sismo 30 /7/2012
Ondas de corte
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Análisis de sismos de diseño para si'o ERU, Tr = 475 años
PGA (g) γmax (%)
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PGAROCK
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
PGA so
il / P
GA ro
ck
1
D3a, GYE-BSF clay modelD3a, GYE-TI clay model
0.5
3
Mean Values
From G/Gmax & D curves for Structured-inducedoverconsolidated clay w/pyrite cementation
(recompression consolidation method) GYE-BSF
From G/Gmax & D curves for NC clay(SHANSEP consolidation method) GYE-TI
Efecto de cementación de las arcillas GYE
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Con cementación GYE-‐ BSF Sin cementación GYE -‐ TI
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PGAROCK
0.001 0.01 0.1 1
PGA
soil / P
GA
rock
0.1
1
D1, TS analyses (mean)D2, TS analyses (mean)D3a, TS analyses (mean)D3b, TS analyses (mean)D4, TS analyses (mean)Carlton and Tokimatsu (2014)IGN records- ERU & TT site (2012)IGN records, ERU - UC site (2015)
(Cayo Formation, Sedimentary rock)
ERU (AGYE2) NS 16A16, Mw7.8 ERU (AGYE2) EW16A16, Mw7.8
2.7
3.5
PGA (g), AGYE station (Vs30= 1820m/s) : 0.019 (EW), 0.024(NS) PGA(g), UCSG station (Vs30 = 1200m/s, Estimated)= 0.034 (EW), 0.028 (NS)
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SITE EFFCTS
Effects of Depth to Bedrock (Bray, 2017)
(30m)
(300m)
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SITE EFFCTS
Effects of Soft Soil (Bray, 2017)
(18.3m)
(30m)
(300m)