National Technical University of Athens

Παρουσίαση με θέμα: "National Technical University of Athens"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 National Technical University of Athens
ICOVP, 2 – 4 September 2019, Crete “Soil Amplification” of Seismic Motions in Mexico-City: and Earthquakes George Gazetas National Technical University of Athens

2 Propagation through Soil
The Seismic Problem Fault Rupture: the SOURCE To σεισμικό πρόβλημα από την γεωτεχνική σκοπιά: ρήγμα  διάδοση κυμάτων κατά τη διάρρηξη του ρήγματος, αποτελούν το σεισμικό φαινόμενο. Τα κύματα αυτά εν τέλει φτάνουν στη βάση των κατασκευών μας + διέρχονται διαμέσου του εδαφικού προφίλ. Μας ενδιαφέρει η επίδραση αυτή του εδαφικού προφίλ στον κραδασμό. Αυτή η επίδραση υπολογίζεται πια με διαφόρους τρόπους. Συνήθως υπό τις 2 αυτές –απλοποητικές αλλά πολύ λογικές- παραδοχές ..... Propagation through Soil Transmission of Seismic Waves FOCUS 2

3 Effects of Soil on Ground Motion
αΑ SΑ (g) αB SΑ (g) αC T αB αC αΑ α α α t A B C DEPTH Soil Amplification 0.1 km 10 km Wave Propagation in the earth’s crust Fault Rupture

4 Propagation of seismic waves through the soil:
“SOIL AMPLIFICATION”

5 Wave Propagation through the SOIL
B √ VS = G / ρ H C Τοποθέτηση του προβλήματος. Μιλάμε για ένα εδαφικό στρώμα με πάχος Η, και το ενδιαφέρον μας είναι η συσχέτιση των επιταχυνσιογραφημάτων στο α, στο c και το b και των φασμάτων αποκρίσεως τους. Η διαφορά μεταξύ α και c και α και b έχει χαρακτηριστεί στη βιβλιογραφία ως εδαφική ενίσχυση. Και να ποιο το πρόβλημα. 5

6 B A H C Απλή περίπτωση ομοιογενούς στρώματος. Ο λόγος της μετατόπισης ή επιτάχυνσης στην κορυφή προς την μετατόπιση ή επιτάχυνση στη βάση είναι μία συνάρτηση της συχνότητας το μέγιστο της οποίας στο συντονισμό δίνεται από αυτές τις σχέσεις ανάλογα αν μιλάει κανείς για α προς Β ή Α προς C. 6

7 SOIL AMPLIFICATION Harmonic Excitation
u A u C = ü A ü C SOIL AMPLIFICATION Harmonic Excitation A 2 /πξ x (T) A ρ, V H C 1 4 H Vs T1 = Period T T1 5 T1 3

8 Analysis of Case Histories
The MEXICO CITY Disaster : Instrumental Observation, Analysis G. Gazetas [ &

9 Mexico 400 km Ciudad de Mexico Pacific Μεξικό Gulf of Mexico
SOURCE of 1985, M 8.1 SUBDUCTION

10 { Disaster Mexico 1985 : MS = 8.1 ≈ 400 km Mexico City
SOURCE { ≈ 400 km Disaster but only in one region Surprisingly little damage

11

12

13

14

15

16 Mexico City topography

17 Lake Zone Hilly Zone Transition SCT CDAO UNAM

18 3 regions of completely different performance
Disaster: 19 000 fatalities Μexico City No Damage W SCT E Hilly Zone CDAO UNAM 5 km

19   Sketch of W-E Section Region ΙΙ Region ΙΙΙ Region Ι W E SOFT CLAY
40 m “ROCK”  Region ΙΙΙ > 60 m W E

20 Palacio de las Bellas Artes:
Region ΙΙΙ: Palacio de las Bellas Artes: ≈ 3 m settlement ! Seismic Damage ≈ 0 !! 40 80

21 (0.19 g, 60 cm/s ) (0.10 g, 40 cm/s) (0.04 g, 10 cm/s)
Peak Accelerations and Velocities (0.19 g, 60 cm/s ) SCT CDAO (0.10 g, 40 cm/s) UNAM (0.04 g, 10 cm/s)

22

23 SCT SA g CDAO UNAM T : s UNAM SCT CDAO

24 wn ≈ 200 − 600 % IP ≈ 200 + Mexico City CLAY Natural Water Content
Mexico Clay Depth (m) Mexico Clay wn ≈ 200 − 600 % IP ≈

25 Settlement during the last 150 years due to massive dewatering
Extremely Soft and Thick Clay Settlement during the last 150 years 5 – 10 meters ! due to massive dewatering (for the needs of an increasing population)

26 Sands, Silts, Clays with IP < 100
Mexico City Clay IP = 200 Sands, Silts, Clays with IP < 100 Mexico City Clay

27 Simplified Engineering Analysis
The SIMPLER and more DIRECT the method of analysis, the more convincing the interpretation of “Reality”

28 ü C ≈ ü B u A ü A Amax u C ü C ≈ T1 = VS = = π
Simplest Theory: 1-D Harmonic Shear Waves H A C B “ROCK” ü C ≈ ü B 4 H VS T1 = Μια γραφική παράσταση της πλήρους εκφράσεως. Η συνάρτηση δυναμικής ενίσχυσης. Συντονισμοί (τοπικά μέγιστα για συγκεκριμένες συχνότητες....) . Από εδώ προκύπτει ότι υπάρχουν οι ιδιοσυχνότητες των εδαφικών σχηματισμών και όταν η σεισμική διέγερση/ κραδασμός έχει συχνότητες ίσες με αυτές έχουμε συντονισμό ο οποίος βέβαια δίνει διαφορετικά ύψη ανάλογα με την ιδιοσυχνότητα...) και βεβαίως και ανάλογα πάντα με την απόσβεση. Αυτό δείχνει ότι ένας τυχόν εδαφικός κραδασμός ο οποίος έχει πολλές συχνότητες μέσα του μερικές από αυτές θα ενισχυθούν -ενδεχομένως και πάρα πολύ (αυτές εδώ γύρω)-άλλες θα μείνουν ίδιες και άλλες θα εξασθενήσουν και θα προκύψει ένας τελείως διαφορετικός κραδασμός / κίνηση / δόνηση σε σχέση με αυτή που ήρθε στο υπόβαθρο. u A ü A 2 Amax = ≈ = u C ü C π ξ 28

29 Homogeneous Soil Layer,
Application to SCT SCT ?? VS = 80 m/s H = 40 m UNAM Homogeneous Soil Layer, Vertical Shear Waves Idealised Layer Properties: H.B. Seed 1985

30 Fundamental soil period :
UNAM SCT H ≈ 40 m Fundamental soil period : 80 Ts = 4H ≈ Vs = 2 s 4 × 40 2 2 Harmonic Amplification : Resonance Amax = ≈ 16 ≈ π ξ 0.04 π 5-6 cycles Amplification : Effective A1 ≈ (2 / 3) x 16 ≈ 11

31 SCT CDAO UNAM

32 at the Natural Period of 2 s Agreement with Simplest Theory
UNAM SCT H ≈ 40 m at the Natural Period of 2 s Sa, SCT ≈ A1 x Sa, UNAM ≈ x 0.08g ≈ 0.9 g Agreement with Simplest Theory

33 0.9 g SCT SA g CDAO Design Sa UNAM T : s UNAM SCT CDAO

34            40 m 60 m

35 Double RESONANCE 33 2 s 11 2 s 1

36 19 September 2017 MW 7.1 Pueblas Earthquake
Exactly 32 years later: 19 September MW 7.1 Pueblas Earthquake

37 Sept. 19, 2017 magnitude 7.1

38 Mexico City after the earthquake
Photo by: Francisco Caballero Gout via AP

39 Source: voiceofpeopletoday.com

40

41

42 2017 Normal Fault Thrust-type Fault (Subduction) 1985

43 the recorded motions

44 SCT 2017 0.095 g EW A : g 0.092 g NS A : g t : s

45 Sa : g 2017 SCT EW New Design Sa NS T : s

46 Damage Distribution in Mexico City
2017 1985 SCT

47 SCT soil profile Clay 75 m/s Sand 40 m Ovando-Shelley et al 2007
Sandy Silt Hard Layer 70 m/s 75 m/s 110 m/s 100 m/s 800 m/s 0 m 5 m 30 m 40 m 35 m SCT soil profile VS : m/s 40 m z : m Ovando-Shelley et al 2007

48 SCT: soil amplification analysis
? 2017 Sand 70 m/s Clay 75 m/s 40 m Sandy Silt 110 m/s Clay 100 m/s UNAM

49 Surface ground motion at SCT site
computed A : g t : s recorded A : g t : s

50 Elastic Response Spectra Computed SCT [surface] Recorded SCT [surface]
SA : g Computed SCT [surface] 2017 Recorded SCT [surface] UNAM [base] T : s

51 CAO soil profile VS : m/s 60 m z : m Silty Silt 60 m/s Clay 60 m/s
Sandy Silt 110 m/s 45 m Clay 100 m/s 60 m z : m (Shelley et al. 2007) Hard Layer 900 m/s

52 CAO amplification analysis
? Silty Silt 60 m/s M 7.5 Oaxaca EQ 30 September 1999 Clay 60 m/s 60 m UNAM Sandy Silt 110 m/s Clay 100 m/s 0.008 g

53 SA : g T1 CAO (recorded) T2 T3 CAO (computed) UNAM T : s

54 But …. Conclusion: So far
1-D soil amplification reproduces adequately the key features of the surface motion But ….

55 ground surface motion: SCT
computed A : g t : s recorded A : g t : s

56 Free vibrations of buildings
If 1-D amplification cannot reproduce well the later part of the record: 2-D or 3-D basin effects Free vibrations of buildings Perhaps

57 Example: 2-D basin Ricker wavelet: fo = 1 Hz 500 m x 80 m VS = 60 m/s
VS, Rock = 400 m/s A : m/s2 Ricker wavelet: fo = 1 Hz

58 Soil Base SV waves

59 Generation of Surface Waves
SH SV Love or Rayleigh Waves

60 Accelererogram at x = 80 A : m/s2 ξ = 0 % Elastic ξ = 5 % t : s

61 Waveforms: Excitation Ricker fo =1 Hz
x (m) Ca R1 R2 1 3 5 t (s)

62 Waveforms: Excitation Ricker fo =1 Hz
Ca x (m) ∞

63 1999 Oaxaca Earthquake: Mw = 7.5, D = 350 km
0.03 g CAO record t : s Duration: almost 3 minutes !

64 Mexico City Clay and weak shaking fulfill ideally these conditions
Long duration “beating” is appreciable only with very soft soils + elastic behaviour: Mexico City Clay and weak shaking fulfill ideally these conditions

65 Our analyses model only the free-field !
But the motion is recorded near building(s). Their vibration at T ≈ T1 emits waves into the surrounding soil, which last longer… Accelerograph

66 CONCLUSIONS 1-D Soil Amplification, even in its simplest form, may lead to good engineering predictions of ground motions 2-D wave motion in soft–soil basins may further amplify the surface motion, especially in weak seismic shaking (and hence elastic soil behaviour)

67 “ Even the most refined theories (before they can be established) must be VALIDATED by COMPARISONS against REALITY … ”

68 Thanks for the Invitation
and for your Attention