Seismic soil pressures on rigid walls subjected to pulse-like earthquake ground motions

Abstract

Pulse-like earthquakes are believed to impose larger structural demands on structures due to the sudden release of seismic energy. This can cause concern in areas that are near fault due to the possibility of structures not being designed to withstand higher seismic demands and could be significant for embedded retaining walls in nuclear power plants. In this study, a finite element model of soil embedded wall is developed to examine the non-linear response of this system to pulse-like earthquake ground motions. For the finite element analysis, the open-source program OpenSees is used for the simulation of an embedded rigid retaining wall. The analyses are performed using records that match narrow-band modified target spectra for different moment magnitude scenarios ranging from 5.03 to 7.70. The pressures, shears, and moments from the finite element model are evaluated. Current acceptable pressure methods used in engineering practice are also evaluated These methods are: Mononobe-Okabe using coulomb wedge sliding theory for gravity walls, Wood (1973) solution for rigid walls using elastic theory, and Ostadan (2005) for building walls. The results from these methods will be compared with the full non-linear finite element model results. In this study, it is observed that generally this type of earthquakes impose larger demands on a embedded rigid retaining wall, but the magnitude of the demand is still comparable with normal ground motions.

Se cree que los sismos con característica de pulso tienen la capacidad para generar mayores demandas estructurales debido a su liberación de energía sísmica abrupta. Esto puede ser alarmante para lugares que estén cerca de fallas geológicas y puedan generar sismos con características de sitio. La preocupación surge ya que puede que las estructuras no estén debidamente diseñadas para resistir esta demanda, esto puede ser aún más preocupante en estructuras con mayor factor de importancia como lo son los muros embebidos en el suelo en las plantas con reactores nucleares. Este estudio utilizara el método de elementos finitos para generar un modelo de un muro embebido en el suelo con el propósito de estudiar la respuesta no linear del mismo a los sismos con característica de pulso. Para el análisis de elementos finitos se utilizó el programa “Open Sees” para simular el muro rígido. Los análisis se realizaron usando data de sismos que fueron modificados para ser compatibles con espectros de banda estrecha. Estos sismos están agrupados a base de su magnitud la cual varía de 5.03 a 7.70. Con los resultados del modelo se evaluarán las presiones, los cortantes, y los momentos obtenidos numéricamente. En la práctica de la ingeniería el problema de las presiones se resuelve utilizando los siguientes métodos; el método de Mononobe-Okabe para muros de gravedad utilizando la teoría de Coulomb, el método de Wood (1973) para muros rígidos utilizando principios de la teoría de elasticidad, y el método numérico de Ostadan (2005) para muros de edificio. Los resultados obtenidos de métodos mencionados anteriormente se compararan con el análisis de elementos finitos no lineal. Durante el desarrollo de este estudio se pudo notar que los sismos con característica de pulso si producen una demanda mayor en un muro sepultado en comparación con sismos normales. Pero es debatible si esta demanda mayor es causa de alarma o no, ya que la magnitud de la demanda no está muy lejana a la que imponen sismos sin característica de pulso.