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Numerical evaluation of seismic soil pressures on rigid walls
Pérez-Rivera, Esteban
Pérez-Rivera, Esteban
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Abstract
This study focuses on the analysis of the dynamic soil pressures developed on a rigid retaining wall when subjected to seismic excitations. This is a topic of large controversy on the engineering community because current analytical approaches can lead to significantly different pressure distributions and design actions. Current code methodologies include the simplified Mononobe-Okabe Method (Seed and Whitman 1970) for yielding walls. For rigid walls, current codes have adopted the Wood (1973) static “1g” loading analytical solution and the numerical procedure proposed by Ostadan (2005). Despite being developed under the assumption of a yielding wall, the M-O method is commonly used in practice for the estimation of seismic pressures in rigid walls. When used for rigid walls, the pressures resulting from the M-O method are usually considered as a lower boundary for the actual pressure distribution in the retaining structure. Contrary to M-O Method, the Wood (1973) solution for rigid walls is deemed to be very conservative and is usually considered as an upper boundary for the actual pressure distribution in the retaining structure. The most recent simplified method adopted by design codes and standards like ASCE4-09 and NEHRP (2009) is the one proposed by Ostadan (2005). This method was aimed to take into account the effect of wave propagation in the soil, the non-linear response of the soil and the characteristics of the input motion. Nevertheless, recent experimental results from centrifugal tests do not agree with current code expressions. To tackle this problem in this research work a finite element model was developed using OpenSees to capture the response of a rigid retaining wall and the surrounding soil during an earthquake event. This allowed us to implement an incremental dynamic analysis (IDA) to comprehensively: (1) examine the effect of the soil non-linearity for a dry and non-cohesive soil profile in the induced soil pressures due to earthquake loading, (2) evaluate current code equations/methodologies by comparison with the results from the numerical model and (3) examine the effects of input motions with different characteristics (records compatible with a deterministic earthquake scenario and records compatible with a uniform hazard spectrum) in the induced seismic pressures. It was founded that the magnitude of the seismic pressures and design actions obtained from the numerical model are between the predicted by the M-O and Wood methodologies. While the shape of the induced seismic pressures was found to be significantly different, the design action values (shears and moments) from the Ostadan approach were found to be in relatively close agreement with the results from the numerical model. The results from the IDA confirmed that soil nonlinearity and seismic wave amplification play an important role in the response of the soil-wall system; therefore methods that assume constant acceleration along the soil deposit and/or characterize the input motion solely based on its peak acceleration may lead to inaccurate pressure estimates.
Este estudio se centró en el análisis de las presiones dinámicas del suelo desarrolladas en un muro de contención rígido cuando es sometido a excitaciones sísmicas. Este es un tema de gran controversia en la comunidad ingenieril ya que los enfoques analíticos actuales pueden conducir a diferencias significativas en las distribuciones de presión en la pared de retención y en las acciones de diseño. Las metodologías en los códigos actuales incluyen el método simplificado de Mononobe-Okabe (Seed y Whitman 1970) para paredes que ceden. Para paredes rígidas, los códigos han adoptado la metodología de Wood (1973), en específico la solución analítica de carga estática para "1g" y el procedimiento numérico propuesto por Ostadan (2005). Pese a que fue desarrollado bajo la presunción de que la pared cede, el método MO es comúnmente usado en la práctica para el diseño de paredes rígidas. Cuando se usa para paredes rígidas, las presiones resultantes del método MO se consideran generalmente como un límite inferior para la distribución de la presión real en la estructura de retención. Contrario al método MO, la solución de Wood (1973) para paredes rígidas es muy conservadora y por lo general se considera como un límite superior para la distribución de presión real en la estructura de retención. El método simplificado más reciente adoptado por los códigos y normas de diseño como ASCE4-09 y NEHRP (2009) es el propuesto por Ostadan (2005). Este método fue desarrollado para tener en cuenta el efecto de propagación de la onda en el suelo, la respuesta no lineal del suelo y las características de movimientos fuertes o sismos que actúa en el depósito de suelo. Sin embargo, recientes resultados experimentales de pruebas en centrífugas no coinciden con los procedimientos simplificados que se encuentran en los códigos. Para hacer frente a este problema, en esta investigación se desarrolló un modelo de elementos finitos utilizando OpenSees para capturar la respuesta de un muro de contención rígido y el suelo alrededor del mismo, durante el evento de un terremoto. Esto nos permitió implementar un análisis dinámico incremental (IDA, por sus siglas en inglés) para: (1) examinar el efecto de la no linealidad del suelo, para un perfil de suelo seco y no cohesivo, en las presiones del suelo inducidos debido a cargas sísmicas, (2) evaluar las ecuaciones/metodologías de códigos actuales mediante la comparación entre los resultados del modelo numérico, (3) examinar los efectos de los movimientos fuertes o sismos con características diferentes (espectros compatibles con un escenario determinístico de un terremoto y con un espectro de riesgo uniforme) en las presiones sísmicas inducidas. Se encontró que la magnitud de las presiones sísmicas y acciones de diseño (cortantes y momentos) obtenidas del modelo numérico están entre las predichas por la metodologías de MO y Wood. Pese a que la forma de la distribución de las presiones es significativamente diferente, la metodología propuesta por Ostadan proporciona valores para acciones de diseño que son relativamente cercanas a los resultados del modelo numérico. Los resultados del IDA confirmaron que la no linealidad del suelo y la amplificación de las ondas sísmicas juegan un papel importante en la respuesta del sistema de suelo-pared. Por tal razón, metodologías que asumen una aceleración constante en todo el depósito de suelo y/o caracterizan la excitación exclusivamente por su aceleración pico, pueden conducir a estimados de presiones erróneos.
Este estudio se centró en el análisis de las presiones dinámicas del suelo desarrolladas en un muro de contención rígido cuando es sometido a excitaciones sísmicas. Este es un tema de gran controversia en la comunidad ingenieril ya que los enfoques analíticos actuales pueden conducir a diferencias significativas en las distribuciones de presión en la pared de retención y en las acciones de diseño. Las metodologías en los códigos actuales incluyen el método simplificado de Mononobe-Okabe (Seed y Whitman 1970) para paredes que ceden. Para paredes rígidas, los códigos han adoptado la metodología de Wood (1973), en específico la solución analítica de carga estática para "1g" y el procedimiento numérico propuesto por Ostadan (2005). Pese a que fue desarrollado bajo la presunción de que la pared cede, el método MO es comúnmente usado en la práctica para el diseño de paredes rígidas. Cuando se usa para paredes rígidas, las presiones resultantes del método MO se consideran generalmente como un límite inferior para la distribución de la presión real en la estructura de retención. Contrario al método MO, la solución de Wood (1973) para paredes rígidas es muy conservadora y por lo general se considera como un límite superior para la distribución de presión real en la estructura de retención. El método simplificado más reciente adoptado por los códigos y normas de diseño como ASCE4-09 y NEHRP (2009) es el propuesto por Ostadan (2005). Este método fue desarrollado para tener en cuenta el efecto de propagación de la onda en el suelo, la respuesta no lineal del suelo y las características de movimientos fuertes o sismos que actúa en el depósito de suelo. Sin embargo, recientes resultados experimentales de pruebas en centrífugas no coinciden con los procedimientos simplificados que se encuentran en los códigos. Para hacer frente a este problema, en esta investigación se desarrolló un modelo de elementos finitos utilizando OpenSees para capturar la respuesta de un muro de contención rígido y el suelo alrededor del mismo, durante el evento de un terremoto. Esto nos permitió implementar un análisis dinámico incremental (IDA, por sus siglas en inglés) para: (1) examinar el efecto de la no linealidad del suelo, para un perfil de suelo seco y no cohesivo, en las presiones del suelo inducidos debido a cargas sísmicas, (2) evaluar las ecuaciones/metodologías de códigos actuales mediante la comparación entre los resultados del modelo numérico, (3) examinar los efectos de los movimientos fuertes o sismos con características diferentes (espectros compatibles con un escenario determinístico de un terremoto y con un espectro de riesgo uniforme) en las presiones sísmicas inducidas. Se encontró que la magnitud de las presiones sísmicas y acciones de diseño (cortantes y momentos) obtenidas del modelo numérico están entre las predichas por la metodologías de MO y Wood. Pese a que la forma de la distribución de las presiones es significativamente diferente, la metodología propuesta por Ostadan proporciona valores para acciones de diseño que son relativamente cercanas a los resultados del modelo numérico. Los resultados del IDA confirmaron que la no linealidad del suelo y la amplificación de las ondas sísmicas juegan un papel importante en la respuesta del sistema de suelo-pared. Por tal razón, metodologías que asumen una aceleración constante en todo el depósito de suelo y/o caracterizan la excitación exclusivamente por su aceleración pico, pueden conducir a estimados de presiones erróneos.
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Date
2014