32 Site response analyse voor aard- bevingsbestendig ontwerp 1 Evaluatie van de invloed van de ondiepe bodem en de ontwikkeling van dynamische funderingseigenschappen voor het seismisch ontwerp van constructies in Groningen Site response analyse voor aardbevingsbestendig ontwerp 8 2016 33 Het seismisch ontwerpen van relatief eenvoudige constructies wordt doorgaans uitgevoerd aan de hand van eenvoudige proce- dures die in een norm of richtlijn zijn vastgelegd. In deze normen wordt de grondbeweging gedefinieerd als een free-field versnellingsresponsespectrum aan de oppervlakte. De krachten werkend op een constructie worden geschat aan de hand van het product van de actieve massa en de spectrale versnelling bij karakteristieke eigen frequenties van de constructie. In Nederland wordt een beschrijving van het seismische risico gegeven in de Nationale Praktijk Richtlijn NPR 9998. Om rekening te houden met de invloed van de lokale bodem- gesteldheid is in de NPR 9998 een methode beschreven om oppervlakte ontwerpspectra te ontwikkelen voor 'normale' en 'speciale' bodemcondities, afhankelijk van de schuifgolfsnelheid en de aanwezigheid van organisch materiaal (veen). De NPR 9998 is zoals alle seismische codes gebaseerd op regionale analyses; slappe grondcondities worden op een veralgemeniseerde wijze meegenomen. Als alternatief wordt in de NPR 9998 geadviseerd om een locatie specifieke (site) response analyse uit te voeren. De NPR 9998 geeft hiervoor uitgangspunten in de vorm van een ontwerpspectrum op een diepte corresponderend met een schuifgolfsnelheid v s,30 van 300 m/s. Tweetraps benadering Ten behoeve van het seismische ontwerp van belangrijke en/of complexe nieuwe en bestaande constructies (bijvoorbeeld hoogbouw, scholen, ziekenhuizen, fabrieken, kritieke infra- structuur enzovoort) kan het nodig zijn gedetailleerdere en nauwkeurige analyses uit te voeren (bijvoorbeeld response spectrum analyses of time-history analyses) om de invloed van een aardbeving te onderzoeken. Deze nauwkeurigere analyses leiden veelal tot een meer economisch ontwerp. In veel gevallen hebben dynamische niet-lineaire time-history berekeningen, die een gedetailleerde beschrijving geven van zowel de constructie als de grond, een (te) lange rekentijd. Om deze reden wordt vaak een tweetraps (fig. 2) benadering uitgevoerd voor deze berekeningen ([8]; [3]; [10]; [6]). In de eerste stap wordt het dynamische gedrag van de grond, of het grond-funderingsgedrag samen, geanalyseerd om de ontwerpgrondbeweging aan de onderkant van de constructie te bepalen en worden funderingsstijfheden en -demping bepaald die het grond-funderingssysteem in het constructieve model vervangen. De veerstijfheden simuleren de stijfheid van de fundering en de omliggende grond. De demping komt voort uit de viskeuze weerstand van de grond die ontstaat door zowel het wegvloeien van energie van de fundering af (geometrisch) als de hysterese dissipatie van energie in de grond. In de tweede stap wordt het dynamische gedrag van de constructie geanalyseerd in een gedetailleerd constructief model. De constructie wordt ondersteund door de veren (indien een spectrale analyse wordt uitgevoerd) of veren en dempers (indien een time-history analyse wordt uitgevoerd) die in de eerste stap zijn bepaald. De in de eerste stap ontwik- kelde ontwerpgrondbewegingen worden aan de onderkant van het model aangebracht (in de vorm van tijdsignalen of respon- sespectra afhankelijk van het type berekening). In een project in Groningen is een site response analyse uitge- voerd. De resultaten worden hieronder gepresenteerd. Het verkregen locatiespecifieke responsespectrum is vergeleken met de spectra uit de NPR 9998 voor 'normale' en 'speciale' grondcondities. Tevens wordt de ontwikkeling van dynamische veren en dempers voor de grond beschreven voor de simulatie van het grond-funderingssysteem. Amalia Giannakou PhD, PE, Vasileios Drosos PhD, Panagiota Tasiopoulou PhD, Panagiotis Georgarakos MSc, Klaas Siderius MSc, Jacob Chacko MSc, GE Fugro 1 Scheuren in gevel door aardbevingen, Groningen 2 Tweetraps methode voor het bepalen van grond-constructie interactie effecten De gaswinning in Groningen veroorzaakt geïnduceerde aardbevingen, waardoor nieuwe en bestaande constructies aardbevingsbestendig moeten worden. Een locatie specifieke respons analyse, in plaats van het toepassen van het responsspectrum uit de NPR 9998, kan daarbij voordelen bieden. Voor een project in Groningen zijn site respons analyses uitgevoerd en dynamische funderingsstijfheden en ?demping beschouwd. Resultaten zijn gebruikt in een gedetailleerd constructief model om het grond-funderings - systeem te vervangen. a ag kinematic interaction inertial interaction (m = 0) a k a ag F = m  a k F = m  a k Kr KhKhvKrh Kh Kv KhvKvKrrv KrhKrvKr dynamic impedances 2 Site response analyse voor aardbevingsbestendig ontwerp 8 2016 34 10 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 35 30 25 20 15 10 5 01 0,8 0,6 0,4 0,2 0 [%] [%] G/G max [%] 3 Geïnterpreteerde en geschematiseerde schuifgolfsnelheidprofielen voor site response analyse 4 Stijfheidsreductie- en dempingscurves gebruikt voor de gevoeligheids- analyse voor de aanwezigheid van een veenlaag. Sterkteparameters die met name van belang zijn voor de slappe kleilaag dicht aan maaiveld, zijn met zorg geselecteerd op basis van de geïnterpreteerde sondeerresultaten. Aangezien geen locatiespecifieke dynamische laboratoriumtesten beschikbaar waren voor de slappe kleilaag, zijn glijmodulus- reductie- en dempingcurves afgeleid op basis van de beschikbare literatuur. Gevoeligheidsanalyses zijn uitgevoerd om de invloed van onzekerheden in de verschillende parameters te onderzoe- ken. De invloed van de aanwezigheid van een veenlaag is onder - zocht door berekeningen uit te voeren waarin deze wel en niet is meegenomen. De curves aanbevolen door [2] voor slappe kleiige lagen en door [1] voor veen zijn gebruikt (fig. 4). Ontwikkeling van input Time-Histories In de tweede stap zijn zeven sets van input tijdsignalen ontwik- keld die overeenkomen met het responsespectrum op diepte dat is gegeven in de NPR 9998. Deze signalen zijn toepasbaar Ontwerpbenadering Voor de constructieve beoordeling van een bestaand gebouw in Groningen moet rekening worden gehouden met een seismische belasting zoals beschreven in de NPR 9998. Door de aanwezig- heid van een 5 m dikke slappe kleilaag met lokaal ook veenla- gen dicht aan de oppervlakte, zijn locatie specifieke analyses uitgevoerd om een nauwkeurigere beschrijving van de seismi- sche belasting op de constructie te verkrijgen. In eerste instan- tie werd de bodemopbouw als 'speciaal' geclassificeerd volgens de NPR 9998, aanvullend grondonderzoek toonde echter aan dat de bodemopbouw als 'normaal' kon worden aangeduid door de afwezigheid van veenlagen. Een tweetraps benadering is toegepast voor de seismische constructieve beoordeling. Dynamische bodemeigenschappen Als eerste stap is het beschikbare grondonderzoek (sonderingen, seismische sonderingen en boordata) geïnterpreteerd om geschematiseerde bodemprofielen met een laagopbouw en dynamische eigenschappen op te stellen. Deze hebben als doel de variaties van de bodemcondities op de projectlocatie voor de site respons analyse te omhullen. De variatie van de schuifgolf- snelheid over de projectlocatie wordt beschouwd door het opstellen van een gemiddeld profiel (best-estimate) en een onder- en bovengrensprofiel (fig. 3). 100 200 300400 500 0 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 diepte [m] Vs [m/s] SCPT CPTu-relaties bovengrens ondergrens beste schatting 4 3 Site response analyse voor aardbevingsbestendig ontwerp 8 2016 35 5 Voorbeeld van het spectraal matchen van tijdsignalen (bruin: originele signaal; blauw: gematchte signaal; rood: doel spectrum) 6 Locatiespecifieke spectra en de spectra uit de NPR 9998 DEEPSOIL 6.1 [5]. Het niet-lineaire constitutieve model gebruikt voor de analyses is het General Quadratic/Hyperbolic- model (GQ/H) [4] dat is geïmplementeerd in DEEPSOIL 6.1. De belangrijkste eigenschappen van grondgedrag die kunnen worden beschreven met deze modellen zijn: 1) maagdelijk monotonic loading gedefinieerd door een backbone curve en 2) niet-lineair spannings-rekgedrag onder cyclische belasting, dat wordt beschreven door de schuifmodulus reductie- en dempingcurves. De constitutieve modellen zijn gevalideerd ten opzichte van waarnemingen bij centrifugeproeven waarbij het niet-lineaire cyclische gedrag van slappe cohesieve lagen onder zware cyclische belasting is onderzocht [5]. Ontwikkeling van dynamische veren en demping Dynamische veren en demping (stijfheids- en dempingsma - trixen) zijn afgeleid om het grond-funderingssysteem te vervangen in het constructieve model. De dynamische constructieve berekening kan nu worden uitgevoerd door de stijfheids- en dempingsmatrices toe te passen in het construc- tieve model. Afhankelijk van de toegepaste constructieve analyse kunnen traagheidskrachten op de massa's van de constructie worden toegepast (spectrale analyse) of kunnen de tijdsignalen worden toegepast aan het einde van de veer (time- history analyse). In het geval van een spectrale analyse wordt demping indirect meegenomen door het gebruikte spectrum, terwijl bij een time-history analyse de demping moet worden meegenomen in het constructieve model. Voor het ontwikkelen van de veren van de fundering is gebruik- gemaakt van de software DYNA6. Deze software volgt de proce- dure beschreven door [7]. Volgens deze procedure worden dyna- mische grondreacties onder invloed van de verplaatsing bepaald door aan te nemen dat het grondprofiel bestaat uit oneindig dunne lagen die horizontaal oneindig doorlopen. Het steeds minder stijvere gedrag (softening) van de grond door de seismische belasting is bepaald uit de site response analyse en meegenomen in het model om de stijfheids- en dempingsmatrices te bepalen. De dynamische eigenschappen zijn geselecteerd op basis van de rekken van elke grondlaag uit de site response analyse. Hiervoor zijn de gemiddelde maximale op een diepte corresponderend met een v s30 van 300 m/s. De tijdsignalen zijn geselecteerd uit een database van gemeten tijd- signalen, die een vergelijkbare magnitude hebben als in Groningen ( M w = 5) en die een spectrale frequentie-inhoud hebben die vergelijkbaar is met het spectrum beschreven in de NPR 9998. Het bronsignaal is vervolgens aangepast door golven toe te voegen in het tijdsdomein om het responsespec- trum van het signaal te laten voldoen aan het spectrum gegeven in de NPR 9998 (fig. 5). Dit is met zorg uitgevoerd om het bronsignaal zo weinig mogelijk aan te passen en de karakte- ristieke eigenschappen van het signaal te behouden. Een maxi- mumafwijking van 10% is gehanteerd. Site response analyses De ontwerp-oppervlaktegrondversnelling responsespectra zijn bepaald door het uitvoeren van site response analyses waarbij gebruik is gemaakt van de afgeleide grondparameters in de eerste stap. De inputsignalen ontwikkeld in de tweede stap zijn als 'outcrop' signalen aangebracht op een diepte waar een v s30 van 300 m/s aanwezig is. Door de aanwezigheid van slappe holocene afzettingen op de projectlocatie, zijn niet-lineaire site response analyses op basis van een totaalspanning uitgevoerd, met het softwarepakket 2 1 0 -1 -2 200 100 0 -100 -200 20 100 -10 -20 0 10 20 30 40 \ 50 60 70 80 bronsignaal aangespast signaal versnelling [g/g] snelheid [cm/s/g] verplaatsing [cm/g] 101 100 10-1 10-2 10-3 NPR spectrum bronsignaal aangepast signaal 5 % demping spectrale versnelling [g/g] trillingstijd [s] tijd[s] 10 -2 10-1 100 101 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0,01 0,1 \ 1 \ 10 SRA spectrum SRA spectrum (met veenlaag) NPR 9998-2015 normale spectrum NPR 9998-2015 speciale spectrum [g/g] tijd [s] 6 5 Site response analyse voor aardbevingsbestendig ontwerp 8 2016 36 7 Cyclic Stress Ratio (CSR) gebaseerd op SRA vergeleken met de CSR volgens de NPR 9998 8 Genormaliseerde funderingsstijfheden als functie van de frequentie 9 Genormaliseerde funderingsdemping als functie van de frequentie rekken die zich voordoen in elke laag bepaald uit de site response analyse, deze zijn vervolgens gebruikt om de reductie van de glijdingsmodulus en de toename van de demping geba- seerd op de waarden uit de site response analyse te bepalen. De fundering van het gebouw bestaat uit verticale betonpalen die rotatievast zijn verbonden met een funderingsbalk. Frequentie- afhankelijke dynamische stijfheids- en dempingsconstanten voor een alleenstaande paal zijn afgeleid voor drie translatieveren en -dempers (één verticaal en twee horizontaal) en drie rotatieveren en -dempers (één om de verticale as en twee om de horizontale assen). De drie-orthogonale veren en dempers (translatie en rotatie) zijn gebruikt om het grond-funderingssysteem te vervan- gen in het constructieve model voor de modale response- en time-history berekeningen. De veren (modale response) en veren en dempers (time-history) zijn aangebracht op de locatie van elke paalkop. Het koppelen van de palen door de aanwezig- heid van een stijve vloer is gerealiseerd door de stijve vloer mee te nemen in het constructieve model. Resultaten Ontwerp-responsespectra aan maaiveld zijn bepaald aan de hand van site response analyses. Een vergelijking tussen het spectrum gegeven in de NPR voor 'normale' en 'speciale' grondcondities en het responsespectrum afgeleid uit de locatie specifieke site response analyses is gegeven in figuur 6. De responsespectra zijn genormaliseerd ten opzichte van de PGA op maaiveldniveau uit de NPR 9998 (PGA d, NPR 9998). Zoals 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 0,0,5 0,1 0,15 \ 0,2 0,25 SRA, N C empirisch, M 5 empirisch M 5,5 diepte [m] CSR [-] 0 2 4 6 8 10 12 \ 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 12 \ 14 16 18 20 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 K x, Ky Kz Krx, Kry Krz Cx,Cy Cz Crx, Cry Crz f [Hz] f [Hz] Kdyn/Kstat Kdyn/Kstat 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Cdyn/Cstatisch Cdyn/Cstatisch f [Hz] f [Hz] 0 2 4 6 8 10 12 \ 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 12 \ 14 16 18 20 7 8 9 Site response analyse voor aardbevingsbestendig ontwerp 8 2016 37 10 scheur in gevel Conclusie De seismische beoordeling van nieuwe en bestaande constructies in Groningen maken het noodzakelijk een nauwkeurige beschrij- ving van de grondbeweging te ontwikkelen waarin de invloed van de lokale bodemgesteldheid wordt meegenomen. Er is gede - monstreerd dat de seismische belasting berekend door middel van een locatie specifieke response analyse sterk kan afwijken van een veralgemeniseerd responsespectrum die is opgenomen in een norm/richtlijn. Dit geldt zowel voor het ontwerp-spec- trum gebruikt in constructieve analyses als de CSR die wordt gebruikt voor het uitvoeren van verwekingsanalyses. Met een vereenvoudigde procedure kan rekening worden gehouden met grond-constructie-interactie-effecten door het ontwikkelen van dynamische stijfheids- en dempingsmatrices die het grond-funderingssysteem vervangen in gedetailleerde constructieve modellen. Deze procedure is gecombineerd met een site response analyse om ook rekening te houden met het afnemen van de stijfheid van de grond (softening) door de passage van aardbevingsgolven. ? is te zien, overschat de vermenigvuldigingsfactor van 1,5 die moet worden toegepast voor 'speciale' grondcondities de spec- trale response bij alle trillingstijden. Het spectrum voor 'normale' grondcondities onderschat de spectrale response bij een periode tussen de 0,3 en 0,6 seconden. De door de aardbeving veroorzaakte cyclische spanningen in de grond (Cylic Stress Ratio of CSR) zijn direct bepaald uit de site response analyse. Een vergelijking met de CSR, bepaald volgens de versimpelde verwekingsprocedure beschreven in de NPR 9998, is gegeven in figuur 7. Zoals is te zien in dit figuur, geeft de CSR uit de site response analyse een significant lagere belasting (qua schuifspanningen) vergeleken met de CSR afge- leid uit empirische methoden die de piekgrondversnelling (PGA) als benaderingsparameter gebruiken. Figuur 8 en 9 laten de genormaliseerde waarden van de stijf- heids- en dempingsconstanten zien als functie van de frequen - tie. De stijfheids- en dempingsconstanten zijn genormaliseerd ten opzichte van de statische waarden. ? REFERENTIES 1 Bommer, J.J., Dost, B., Edwards, B., Kruiver, P.P., Meijers, P., Ntinalexis, M., Polidoro, B., Rodriguez-Marek, A., Stafford, P.J., Development of Version 2 GMPEs for Response Spectral Accelerations and Significant Durations from Induced Earthquakes in the Groningen Field, Report for Groningen Seismic Hazard and Risk Assessment Model, 2015. 2 Darendeli, M., Development of a new family of normalized modulus reduction and material damping curves, Ph.D. Thesis, Dept. of Civil Eng., University of Texas, Austin, 2001. 3 Gazetas, G., Chapter 15: Foundation Vibrations, in Foundation Engineering Handbook, 2nd Edition, ed. H.Y. Fang, Van Nostrand Reinholds, 1991, pp. 553-593. 4 Groholski, D.R., Hashash, Y.M.A, Musgrove, M., Harmon, J., Kim, B., Evaluation of 1-D Non-linear Site Response Analysis using a General Quadratic/Hyperbolic Strength- Controlled Constitutive Model, 6th International Conference on Earthquake Geotechnical Engineering, 1-4 November 2015, Christchurch, New Zealand, 2015. 5 Hashash, Y.M.A, Groholski, D.R., Phillips, C.A., Park, D., Musgrove, M., DEEPSOIL 6.1, User Manual and Tutorial, 2015. 6 Makris, N., Gazetas, G., Delis, E., Dynamic soil-pile foundation-structure interaction: records and predictions. Geotechnique 46, 1996, pp. 33-50. 7 Novak, M and Aboul-Ella, F. Impedance Functions of Piles in Layered Media, Journal of the Engineering Mechanics Division, ASCE, Vol. 104, No EM6, Proc. Paper 13847, June 1978, pp. 643-661. 8 Novak, M., Aboul-Ella, F., Stiffness and Damping of Piles in Layered Media, Proc. Earthq. Engrg. And Soil Dyn., ASCE Specialty Conf., Pasadena, California, June 19-21 1978, pp. 704-719. 9 NPR 9998 Beoordeling van de constructieve veiligheid van een gebouw bij nieuwbouw, verbouw en afkeuren ? Grondslagen voor aardbevingsbelastingen: geïnduceerde aardbevingen, ICS 91.080.01; 93.020, december 2015. 10 Pender, M.J., Aseismic pile foundation design analysis, Bulletin New Zealand National Society Earthquake Engineering 26(1), 1993, pp. 49-161. O VERIGE LITERATUUR 1 Novak, M., Piles under dynamic loads: State of the Art, Proceedings of the 2nd International Conference on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics, St. Louis, vol. 3, 1991, pp. 250-273. 2 Zhang, J, Makris, N., Seismic Response Analysis of Highway Overcrossings Including Soil-Structure Interaction, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 31(11), 2002 , pp. 1967-1991. 10 Site response analyse voor aardbevingsbestendig ontwerp 8 2016