Erdbebensicherheit von Erddämmen

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1 Erdbebensicherheit von Erddämmen Prof. Dr.-Ing. habil. Christos Vrettos Lehrstuhl für Bodenmechanik und Grundbau 7. Tiroler Geotechnik- und Tunnelbautag, Innsbruck,

2 Schädigungsindex Steinschüttdämme mit Betonoberfläche Steinschüttdämme mit Kerndichtung Erdschüttdämme Gespülte Erddämme Swaisgood (2003) Cogoti Dam (CFRD), Chile EQ 1997, M 7.6, 0.23g

3 San Fernando Dams

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

5 Verfüssigung von Dämmen beim Bhuj Erdbeben Kaswati Damm Fatehgadh Damm Chang Damm Singh et al. (2005)

6 Verflüssigung Sande Einfluss der Feinanteile Idriss and Boulanger (2004)

7 Lower San Fernando Dam (Beaty and Byrne: Beaty (2001)

8 Lower San Fernando Dam Khoei et al. (2004)

9 Pseudostatischer Nachweis F h F v W a h F h ahw g k h W a v F v avw g k v W FS dyn cl [(W Fv )cos F (W F ) sin F v h h sin) tan cos

10 Verhaltensbasierte Bemessung Performance 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 =?

11 Nachweise gegenüber Erdbeben 8.4, DIN 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 besondere Nachweise 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.

12 Erdbebenbeanspruchung Maximum Credible Earthquake (MCE). The MCE is the largest earthquake magnitude that could occur along a recognized fault or within a particular seismotectonic province or source area under the current tectonic framework. Maximum Design Earthquake (MDE) or Safety Evaluation Earthquake (SEE). This is the earthquake that produces the maximum level of ground motion for which a structure is to be designed or evaluated. The MDE or SEE may be set equal to the MCE or to a design earthquake less than the MCE, depending on the circumstances. Factors to consider in establishing the size of MDE or SEE are the hazard potential classification of the dam (FEMA 1998), criticality of the project function (water supply, recreation, flood control, etc.), and the turnaround time to restore the 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 water supply reservoir, the expected damage should be limited to allow the project to be restored to operation in an acceptable time frame. Operating Basis Earthquake (OBE). The OBE is an earthquake that produces ground motions 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, and without interruption of function. The purpose of the OBE is to protect against economic losses from damage or loss of service. Therefore, the return period for the OBE may be based on economic considerations. Federal Guidelines for Dam Safety: Earthquake Analyses and Design of Dams, FEMA 65, (2005)

13 Effektive mittlere Ersatzbeschleunigung Anstatt des Maximalwertes wird ein Effektivwert angesetzt: k h,eff (0,50 0,80) a max / g mit SFdyn (1,0 1,10) liefert kleine Verformungen (< 10 cm) λ H Erddämme mit Η = m und Erdbeben mit T e = 0,30 0,60s: λ (1 2) H

14 Newmark Verfahren a(t) a(t) a max kritische Beschleunigung a c t v(t) t d(t) t

15 Newmark Verschiebung

16 Seismische Verschiebung - Vereinfachtes Verfahren- Gekoppeltes Modell (Bray & Travarsarou, 2007) P(D=0) = 1 Φ [ ln(k y ) (T s )ln(k y ) ln(s a (1.5T s ))] ln D = ln(k y ) 0.333(ln(k y )) ln(k y )ln(s a (1.5T s )) ln(s a (1.5T s )) ln(s a (1.5T s )) T s (M 7) Gleitebene H H Starrer Block (Newmark) T s =0 ; S a (T s =0) = PGA H T s = 2.6 H/V s T s = 4 H/V s

17 Verfahren nach Makdisi/Seed y/h u/(a G T 0 ) [s] a c /a G a c /a G

18 Schwingungsperiode - Einfluss der Geometrie -

19 Stoffgesetze Mochikoshi tailings dams Pre Pressure Ratio Ru Time [s]

20 Dammquerschnitt Untergrund Stützkörper Schluffschicht Dammkern Rhein Retentionsraum Vrettos, C. (2009): Seismic response analysis of a river embankment on deep sedimentary strata, 17th Int. Conf. on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Alexandria, m

21 Oberrheingraben

22 Baugrunduntersuchung

23 Korngrößenverteilung Untergrund Dammkernmaterial beim Vollkern

24 Dynamische Bodenkennwerte Kokusho / Yashida (1997) V S,max U /(U 1) 120 D / p C C r v h a Seed et al. (1986) G 220 [kpa] K2,max f(dr ) max K 2,max 0.5 m Eurocode EC8, Part 5, 4.2.2

25 Erdbebenzonen Untergrundklassen - DIN

26 Antwortspektrum S e (T) 2 a g 1 γ I S T B T C T D T [s]

27 Berechnungsverfahren

28 Erdbebenzeitverlauf Friuli Erdbeben Tolmezzo FRIULI EARTHQUAKE TOLMEZZO Station 0.4 Beschleunigung Acceleration [m/s 2 ][m/s 2 ] Zeit [s] Time [s] Frequency [Hz] Frequenz [Hz]

29 Erdbebenzeitverlauf - Starkbebendauer - 1 0,95. Husid Verhältnis h t 0 t f 0 [a ( t)] [a ( t)] 2 2 dt dt 0.4 Friuli Tolmezzo 0, Zeit [s]

30 Bemessungserdbeben DIN 4149: Wiederkehrperiode T = 475 Jahre; a g = 0,8 m/s 2 Höheres Sicherheitsniveau: T = 950 Jahre I T T LR L 1/ k EC8, Part 1 a g I 0,8 1,26 1,0m / s 2 a max, Freifeld a g I S 0,8 1,26 0,75 0,75m / s 2

31 Synthetischer Erdbebenzeitverlauf SIMQKE Compound Window Window Function I(t) 1.0. I(t) 2 (t / T A ) I(t) exp[ 0.6(t T B )] TA T 15 B t [s] Spectral Velocity [ft/sec] Period [sec] (sec)

32 Synthetischer Erdbebenzeitverlauf Acceleration (g) Time (sec)

33 Erdbebenzeitverlauf Layer1 DIN 4149 (DIN scaled E Soil Class C3 Tolmezzo Husid Ratio Time [sec]

34 Erdbebenzeitverlauf 0.8 DIN E4149 Subsoil Class C3 DIN 4149 scaled - synthetic SHAKE - Layer Acceleration [m/s 2 ] Time [sec]

35 SHAKE - Deconvolution Layer 1 DIN 4149 scaled, synthetic: H = 15 m V s = 270 m/s D = 3% Layer 6 = 1.9 Mg/m 3 V s = 600 m/s = 2.1 Mg/m 3 D = 0.4%

36 Finite-Element Model in Time Domain - Free-Field Analysis - H=15 m 20 m 12 Rayleigh Damping Damping Ratio ratio D [%] = 0.3 = Frequency [Hz] Frequency [Hz] V s = 270 m/s = 0.3 = 1.9 Mg/m 3 Rayleigh damping: = 0.3 =

37 Vergleich Frequenz- / Zeitbereich Acceleration Transfer Function SHAKE Deconvolution: Layer 1 / Layer 6 PLAXIS Convolution: Surface/Base Frequency [Hz]

38 Finite-Element Model 20 m

39 Schwingungsantwort Dammkörper A D B C E F

40 Schwingungsantwort Dammkörper Acceleration [m/s2] 2 Punkt A - Dammkrone Chart 2 Point A Horizontale Beschleunigung [m/s 2 ] Time Zeit [s] a x,max = m/s t = s (Step 46)

41 Schwingungsantwort Dammkörper ax [m/s2] 2 Point Punkt E --Slope Böschung Chart 2 Point E Horizontale Horizontal Beschleunigung Acceleration [m/s 2 2 ] ] Dynamic time Time Zeit [s] [s] a x,max = m/s t = s (Step 60)

42 Schwingungsantwort Dammkörper t = s (Step 46) Cross section A-A* A B C D A* Horizontal accelerations Extreme horizontal acceleration m/s 2 B* C* D*

43 Schwingungsantwort Dammkörper Cross section A-A* t = s (Step 60) A B C D A* B* C* D* Horizontal accelerations acceleration m/s Extreme horizontal acceleration m/s 2

44 Böschungsbruchsicherheit - Ersatzlastverfahren a(t) ax [m/s2] 2 a max.4m/ 1 s 2 Ch P Seismischer Koeffizient k h 1 0 A B C D E F Dynamic time [s] a rms 1 T d Td 0 [a(t)] 2 dt 0.5 a max k h = 0.07

45 Nachweis Böschungsbruch Sicherheitsfaktor = 1.26 > 1.2 a c = 0.17g > a max

46 Näherungsverfahren S e (T) Gazetas (1982) 2 T Damm H V S,Damm 1 a max, Crest =a max, Free field S e = 0,75 2,5 = 1,88 m/s T Damm T [s] S e,slope = (S e,crest + S e,base ) / 2 = (2,5 + 1) / 2 = 1,75 a max, Slope =a max, Free field S e,slope = 1,3 m/s 2 a Slope =a max, Slope 0,5 = 0,65 m/s 2 k h = 0,065 0,07