erdbebensicherheit von erddämmen damm singh et al. (2005) c. vrettos, erdbebensicherheit von...

7. Tiroler Geotechnik- und Tunnelbautag, Innsbruck, 27.11.2009

Prof. Dr.-Ing. habil. Christos VrettosLehrstuhl für Bodenmechanik und Grundbau

Erdbebensicherheit von Erddämmen

Cogoti Dam (CFRD), ChileEQ 1997, M 7.6, 0.23g

Swaisgood (2003)

Schädigungsindex

Steinschüttdämme mit Betonoberfläche Steinschüttdämme mit Kerndichtung Erdschüttdämme Gespülte Erddämme

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

San Fernando Dams

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

San Fernando Dams

Seed et al. (1988)Lower San Fernando Dam – Schnitte vor und nach dem Versagen

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Verfüssigung von Dämmen beim Bhuj Erdbeben

Chang Damm

Fatehgadh Damm

Kaswati Damm

Singh et al. (2005)C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Verflüssigung

Sande Einfluss der Feinanteile

Idriss and Boulanger (2004)

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Lower San Fernando Dam

(Beaty and Byrne: Beaty (2001)

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Lower San Fernando Dam

Khoei et al. (2004)

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

WkgWaF h

hh

WkgWaF v

vv

cosFsin)FW(

tan)sinFcos)FW[(cLFShv

hvdyn

W

Fh

Fv

ah

av

Pseudostatischer Nachweis

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Verhaltensbasierte BemessungPerformance Based Design

Bis vor kurzem war das Ziel der Erdbebenbemessung, den Einsturz zu verhindern. Bemessung erfolgte mit einem Sicherheitserdbeben. Wirtschaftliche Folgen von Erdbebenschäden können enorm sein. Nichttragende Bauteile machen im Hochbau den Hauptteil der Investition aus. Treten Schäden an diesen Bauteilen auf, ist oft ein Abbruch kostengünstiger, auch wenn das Tragwerk noch große Reserven gegen Einsturz aufweist. Moderne Herangehensweise: Erdbebenbemessung wird auch auf akzeptierte Schäden ausgerichtet und ist eng verknüpft mit verschiebungsbasierten und verformungsorientierten Verfahren. Der Tragwerksplaner legt zusammen mit dem Bauherrn bestimmte Verhaltenszustände (Performance Levels) fest und definiert die jeweilige Erdbebeneinwirkung im Sinne von Niveaus der Erdbebengefährdung.

Übertragung auf Geotechnische Bauwerke: Gewisses Maß an bleibender Verformung wird toleriert, d.h. Sicherheitsfaktor FS berechnet mit statischen Ersatzlasten darf < 1 werden

Wichtige Voraussetzung: Zügige Instandsetzung soll möglich sein

Zulässige Verformung =?Rechenverfahren zur Verformungsabschätzung =?Bodenkennwerte = ?

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

§ 8.4, DIN 19700-10

Zu erwartende Intensität, Charakteristik und Beschleunigung des Erdbebens sind im Regelfall durch ein seismologisches Gutachten für den jeweiligen Standort festzustellen. Ausgehend von der Beurteilung der Erdbebengefahr am Standort der Stauanlage ….. sind besondereNachweise hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Stauanlage zu führen. Aktive Störzonen sowie das Verhalten während und nach seismischer Erregung (bleibende Verformung, Festigkeitsabfall, Bodenverflüssigung) sind dabei zu beachten.

Nachweise gegenüber Erdbeben sind für zwei Erdbebenfälle zu führen:

- Der Erdbebenfall 1 dient dem Nachweis der Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit der Stauanlage. Dazu ist ein Betriebserdbeben anzunehmen, dessen Intensität geringer als die des Bemessungserdbebens ist. Dem Betriebserdbeben muss die Stauanlage ohne Nutzungsbeschränkungen widerstehen.

- Der Erdbebenfall 2 ist der Bemessungsfall, für den die Tragsicherheit der Stauanlage nachzuweisen ist. Dazu ist ein Bemessungserdbeben anzunehmen, dessen Intensität am Standort der Stauanlage äußerst selten auftreten kann. Dem Bemessungserdbeben muss die Stauanlage ohne globales Versagen widerstehen. Insbesondere darf die Tragsicherheit des Absperrbauwerkes nicht gefährdet werden. Die Entleerungsmöglichkeit der Stauanlage nach einem Bemessungserdbeben ist zu bewerten.

Nachweise gegenüber Erdbeben

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Erdbebenbeanspruchung

Federal Guidelines for Dam Safety: Earthquake Analyses and Design of Dams, FEMA 65, (2005)

Maximum Credible Earthquake (MCE). The MCE is the largest earthquake magnitudethat could occur along a recognized fault or within a particular seismotectonic province or sourcearea under the current tectonic framework.

Maximum Design Earthquake (MDE) or Safety Evaluation Earthquake (SEE). This isthe earthquake that produces the maximum level of ground motion for which a structure is to bedesigned or evaluated. The MDE or SEE may be set equal to the MCE or to a design earthquakeless than the MCE, depending on the circumstances. Factors to consider in establishing the sizeof MDE or SEE are the hazard potential classification of the dam (FEMA 1998), criticality of theproject function (water supply, recreation, flood control, etc.), and the turnaround time to restorethe facility to operability. In general, the associated performance requirement for the MDE or SEE is that the project perform without catastrophic failure, such as uncontrolled release of a reservoir, although significant damage or economic loss may be tolerated. If the dam contains a critical watersupply reservoir, the expected damage should be limited to allow the project to be restored tooperation in an acceptable time frame.

Operating Basis Earthquake (OBE). The OBE is an earthquake that produces groundmotions at the site that can reasonably be expected to occur within the service life of the project.The associated performance requirement is that the project function with little or no damage, andwithout interruption of function. The purpose of the OBE is to protect against economic lossesfrom damage or loss of service. Therefore, the return period for the OBE may be based oneconomic considerations.

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Erddämme mit Η = 30 ÷ 120 m und Erdbeben mit Te = 0,30 ÷ 0,60s: λ ≈ (1 ÷ 2) H

λ H

Anstatt des Maximalwertes wird ein Effektivwert angesetzt:

Effektive mittlere Ersatzbeschleunigung

g/a)80,050,0(k maxeff,h

)10,10,1(SFmit dyn

liefert kleine Verformungen (< 10 cm)

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

amax kritische Beschleunigung

ac

a(t)

t

t

tv(t)

d(t)

a(t)

Newmark Verfahren

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Newmark Verschiebung

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Seismische Verschiebung- Vereinfachtes Verfahren-

P(D=0) = 1 −Φ [− 1.76 − 3.22 ln(ky)− 0.484 (Ts) ln(ky) + 3.52 ln(Sa(1.5Ts))]

ln D = − 1.10 − 2.83 ln(ky) − 0.333(ln(ky))2

+ 0.566 ln(ky)ln(Sa(1.5Ts)) + 3.04 ln(Sa(1.5Ts))− 0.244 ln(Sa(1.5Ts))2 + 1.50Ts + 0.278(M − 7)

Gekoppeltes Modell(Bray & Travarsarou, 2007)

Starrer Block (Newmark)

Ts =0 ; Sa(Ts=0) = PGAGleitebene

Ts = 2.6 H/Vs

Ts = 4 H/Vs

H

H

H

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

u/(a

GT 0

) [s

]

ac/aG

y/h

ac/aG

Verfahren nach Makdisi/Seed

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Schwingungsperiode- Einfluss der Geometrie -

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Pre

Pre

ssur

e R

atio

Ru

Time [s]

Stoffgesetze

12

4

356

Mochikoshi tailings dams

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Dammquerschnitt

Rhein

10 m

UntergrundStützkörperSchluffschichtDammkern

Retentionsraum

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Vrettos, C. (2009): Seismic response analysis of a river embankment on deep sedimentary strata, 17th Int. Conf. on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Alexandria, 1526-1529.

Oberrheingraben

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Baugrunduntersuchung

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Untergrund

Dammkernmaterialbeim Vollkern

Korngrößenverteilung

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Kokusho / Yashida (1997)

125.02ahvrCCmax,S p/D120)1U(/U420120V

5.0mmax,2max K220G )D(fK rmax,2 [kPa]

Seed et al. (1986)

Eurocode EC8, Part 5, § 4.2.2

Dynamische Bodenkennwerte

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Erdbebenzonen – Untergrundklassen- DIN 4149 -

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Se(T)

ag S

0

1

0 1 2 3

TC TDTB

2

T [s]

γI

Se(T)

ag S

0

1

0 1 2 3

TC TDTB

2

T [s]

γI

Antwortspektrum

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Berechnungsverfahren

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0 4 8 12

Time [s]

Acc

eler

atio

n [m

/s2 ]

FRIULI EARTHQUAKE 1976 - TOLMEZZO Station

0

10

20

30

0 5 10 15 20

Frequency [Hz]

Erdbebenzeitverlauf

Zeit [s]

Frequenz [Hz]

Bes

chle

unig

ung

[m/s

2 ]

Friuli Erdbeben 1976 - Tolmezzo

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Erdbebenzeitverlauf- Starkbebendauer -

ft

0

2

t

0

2

dt)]t(a[

dt)]t(a[h

.

0 4 8.

Hus

id V

erhä

ltnis

Zeit [s]

0

1

0,05

0,95

3.37 7.42 12

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0 4 8 12

Friuli 1976 - Tolmezzo

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

DIN 4149: Wiederkehrperiode T = 475 Jahre; ag = 0,8 m/s2

Höheres Sicherheitsniveau: T = 950 Jahre

Bemessungserdbeben

k/1

L

LRI T

T

EC8, Part 1

2Ig s/m0,126,18,0a

2IgFreifeldmax, s/m75,075,026,18,0Saa

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

SIMQKE – Compound Window

.

Win

dow

Fun

ctio

n I(t

)

t [s]

2A )T/t()t(I

)]Tt(6.0exp[)t(I B

1.0

00

AT BT 15

Synthetischer Erdbebenzeitverlauf

Period (sec)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.001 0.01 0.1 1 10

Spe

ctra

l Vel

ocity

[ft/s

ec]

Period [sec]

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Acc

eler

atio

n (g

)

Time (sec)

-0.02

-0.04

-0.06

-0.08

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0 5 10 15

Synthetischer Erdbebenzeitverlauf

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 5 10 15

Layer1 (DIN E 4149 - Soil Class C3Tolmezzo

Time [sec]

Hus

id R

atio

Erdbebenzeitverlauf

DIN 4149 scaledTolmezzo

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

-0.8

-0.4

0

0.4

0.8

0 5 10 150.54 7.78

SHAKE - Layer 1

Time [sec]

Acc

eler

atio

n [m

/s2 ]

DIN E4149 Subsoil Class C3

Erdbebenzeitverlauf

DIN 4149 – scaled - synthetic

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

DIN 4149 scaled, synthetic:

Vs = 270 m/s H = 15 m

Vs = 600 m/s

= 2.1 Mg/m3

D = 0.4%

Layer 1

Layer 6 = 1.9 Mg/m3

D = 3%

SHAKE - Deconvolution

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

20 m

H=15 m

Vs = 270 m/s = 0.3 = 1.9 Mg/m3

Rayleigh damping: = 0.3 = 0.0019

Finite-Element Model in Time Domain- Free-Field Analysis -

0

3

6

9

12

0 5 10 15

= 0.3 = 0.0019

Frequency [Hz]

Dam

ping

Rat

io D

[%]

Rayleigh DampingRayleigh Damping

Frequency [Hz]

Dam

ping

ratio

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

0

5

10

15

20

25

0 4 8 12

SHAKE Deconvolution: Layer 1 / Layer 6

PLAXIS Convolution: Surface/Base

Frequency [Hz]

Acc

eler

atio

n Tr

ansf

er F

unct

ion

Vergleich Frequenz- / Zeitbereich

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

20 m

Finite-Element Model

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

A

B

C

D

EF

Schwingungsantwort Dammkörper

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

0 3 6 9 12-2

-1

0

1

2

Time [s]

Acceleration [m/s2]Chart 2

Point A

Hor

izon

tale

Bes

chle

unig

ung

[m/s

2 ]

Zeit [s]

Punkt A - Dammkrone

ax,max = -1.666 m/s2 @ t = 2.112 s (Step 46)

Schwingungsantwort Dammkörper

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

0 3 6 9 12-2

-1

0

1

2

Dynamic time [s]

ax [m/s2]Chart 2

Point E

Hor

izon

tal

Acc

eler

atio

n [m

/s2 ]

Time [s]

Point E - Slope

ax,max = -1.453 m/s2 @ t = 2.784 s (Step 60)

Hor

izon

tale

Bes

chle

unig

ung

[m/s

2 ]

Zeit [s]

Punkt E - Böschung

Schwingungsantwort Dammkörper

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

t = 2.112 s (Step 46)

Horizontal accelerationsExtreme horizontal acceleration -1.69 m/s2

A*B*

C* D*

A B CD

Cross section A-A*

Schwingungsantwort Dammkörper

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

t = 2.784 s (Step 60)

Horizontal accelerationsExtreme horizontal acceleration -1.54 m/s2

Cross section A-A*A B C

D

A*B*

C*

D*

Horizontal accelerationsExtreme horizontal acceleration -1.54 m/s2

Schwingungsantwort Dammkörper

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Seismischer Koeffizient kh

A

B

C

DE

F

0 3 6 9 12-2

-1

0

1

2

Dynamic time [s]

ax [m/s2]Ch

P

maxT

02

drms a5.0dt)]t(a[

T1a d

)(ta2

max /4.1 sma

kh = 0.07

Böschungsbruchsicherheit - Ersatzlastverfahren

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Sicherheitsfaktor = 1.26 > 1.2

ac = 0.17g > amax

Nachweis Böschungsbruch

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen

Damm,SDamm V

H5.2

1T

DammT0

1

2

0 1 2 3T [s]

Se(T)

amax, Crest = amax, Free field Se

= 0,75 2,5 = 1,88 m/s2

Se,Slope = (Se,Crest + Se,Base) / 2 = (2,5 + 1) / 2 = 1,75

amax, Slope = amax, Free field Se,Slope = 1,3 m/s2

aSlope = amax, Slope 0,5 = 0,65 m/s2 kh = 0,065 0,07

Gazetas (1982)

Näherungsverfahren

C. Vrettos, Erdbebensicherheit von Erddämmen