dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli...

64
Uvod Program Analize Zakljuqak Dinamika tla i konstrukcije pri zemljotresima, nepouzdani modeli, nepouzdani parametri i teorija verovatnoa Boris Jeremi University of California, Davis, CA, USA Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA Beograd, Decembar 2016 Jeremi Modelovanje tla i konstrukcije

Upload: others

Post on 07-Jan-2020

10 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Dinamika tla i konstrukcije prizemljotresima, nepouzdani modeli,nepouzdani parametri i teorija

verovatno�a

Boris Jeremi�

University of California, Davis, CA, USALawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA

Beograd, Decembar 2016

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 2: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Sadr�aj

UvodMotivacijaModeling and Parametric Uncertainty

ProgramReal ESSI Simulator SystemReal ESSI Simulator Components

AnalizeBranaBetonski MostNuklearna ElektranaMehanika i Teorija Verovatno�a

ZakljuqakZakljuqak

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 3: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Motivacija

UvodMotivacijaModeling and Parametric Uncertainty

ProgramReal ESSI Simulator SystemReal ESSI Simulator Components

AnalizeBranaBetonski MostNuklearna ElektranaMehanika i Teorija Verovatno�a

ZakljuqakZakljuqak

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 4: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Motivacija

Motivacija

I Poboljxanje modelovanja i simulacija za sistemetla i konstrukcije

I Razvoj ekspertnog sistema za numeriqke analize

I Upotreba preciznih modela za analize statike idinamike sistema tla i konstrukcije

I Cilj je razvoj metodologije za numeriqkapredvi�anja i informisanje korisnika, struqnjaka, ane rezultati koji prate neku zadatu liniju, na silu

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 5: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Motivacija

Pretpostavka

I Interakcija dinamiqkih karakteristikazemljotresa, tla i konstrukcije kontrolixe nivooxte�enja konstrukcije

I Mesto i vreme disipacije zemljotresne energijeodre�uje lokaciju i nivo oxte�enja konstrukcije

I Kontrolisanjem protok zemljotresne energije kroztlo i konstrukciju, mo�emo da poboljxamo

I SigurnostI Ekonomiqnost

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 6: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Motivacija

Taqnost Modelovanja i Simulacija

I Verifikacija: dokaz da je model taqno rexen,matematiqki problem

I Validacije: dokaz da je rexen pravi model,mehaniqki problem

I Numeriqko analiza: korix�enje numeriqkog modelaza predvicjanje stanja sistema za optere�enja kojanisu korix�ena pri testiranju (validaciji)

I Predvi�anje/analiza uz teoriju verovatno�a:I Nesigurnost modelaI Nesigurnost parametara

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 7: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Modeling and Parametric Uncertainty

UvodMotivacijaModeling and Parametric Uncertainty

ProgramReal ESSI Simulator SystemReal ESSI Simulator Components

AnalizeBranaBetonski MostNuklearna ElektranaMehanika i Teorija Verovatno�a

ZakljuqakZakljuqak

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 8: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Modeling and Parametric Uncertainty

Modeling Uncertainty: Simplified ModelsI Simplified modeling: Features (important ?) are neglected

(6D ground motions, inelasticity)I Modeling Uncertainty: unrealistic and unnecessary

modeling simplificationsI Modeling simplifications: justifiable iff higher level

sophistication model shows are features not important

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 9: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Modeling and Parametric Uncertainty

Parametric Uncertainty: Material and LoadsI Significant uncertainty in material and loadsI Need to propagate uncertainty through simulation, to give

regulators and engineers information for design, licensing...

5 10 15 20 25 30 35

5000

10000

15000

20000

25000

30000

SPT N Value

You

ng’s

Mod

ulus

, E (

kPa)

E = (101.125*19.3) N 0.63

−10000 0 10000

0.00002

0.00004

0.00006

0.00008

Residual (w.r.t Mean) Young’s Modulus (kPa)

Nor

mal

ized

Fre

quen

cy

Transformation of SPT N-value: 1-D Young’s modulus, E (cf. Phoon and Kulhawy (1999B))

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 10: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Real ESSI Simulator System

UvodMotivacijaModeling and Parametric Uncertainty

ProgramReal ESSI Simulator SystemReal ESSI Simulator Components

AnalizeBranaBetonski MostNuklearna ElektranaMehanika i Teorija Verovatno�a

ZakljuqakZakljuqak

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 11: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Real ESSI Simulator System

Real ESSI Simulator SystemI The Real ESSI-Program is a 3D, nonlinear, time domain,

parallel finite element program specifically developed forHi-Fi modeling and simulation of Earthquake Soil/RockStructure Interaction problems for NPPs (infrastructureobjects) on ESSI-Computers.

I The Real ESSI-Computer is a distributed memory parallelcomputer, a cluster of clusters with multiple performanceprocessors and multiple performance networks.

I The Real ESSI-Notes represent a hypertextdocumentation system (Theory and Formulation, Softwareand Hardware, Verification and Validation, and CaseStudies and Practical Examples) detailing modeling andsimulation of ESSI problems.

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 12: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Real ESSI Simulator System

Real ESSI Simulator Modeling and Simulation Process

input

loading stage

increment

iteration

output

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 13: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Real ESSI Simulator Components

UvodMotivacijaModeling and Parametric Uncertainty

ProgramReal ESSI Simulator SystemReal ESSI Simulator Components

AnalizeBranaBetonski MostNuklearna ElektranaMehanika i Teorija Verovatno�a

ZakljuqakZakljuqak

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 14: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Real ESSI Simulator Components

Real ESSI Simulator: DSL

[fragile]

I Domain Specific Language (DSL), Yacc & Lex

I English like modeling and simulation language

I Parser and compiler, can define functions, models, etc.

I Can extend models and methods

I Requires units!

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 15: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Real ESSI Simulator Components

Real ESSI DSL Example1 model name "UNR Test Setup";2 new loading stage "First, static";3 add node # 1 at (0*m, 0*m, 0*m) with 6 dofs;4 add node # 2 at (0*m, 0*m, 1*m) with 6 dofs;5 add element # 1 type beam_elastic with6 nodes (1, 2) cross_section=1.0*m^27 elastic_modulus=1.0e5*KN/m^28 shear_modulus=2.0e4*KN/m^29 torsion_Jx=2*0.083*m^4

10 bending_Iy=0.083*m^4 bending_Iz=0.083*m^411 mass_density=2500.0*kg/m^312 xz_plane_vector = (0, -1, 0)13 joint_1_offset = (0.0*m, 0.0*m, 0.0*m)14 joint_2_offset = (0.0*m, 0.0*m, 0.0*m);

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 16: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Real ESSI Simulator Components

Real ESSI DSL Example1 fix node No 1 dofs all;2 add load # 1 to node # 2 type3 linear Fx=-9*kN;4 define load factor increment 0.01;5 define solver UMFPack;6 define convergence test7 Norm_Displacement_Increment8 tolerance = 1e-59 maximum_iterations = 20

10 verbose_level = 4;11 define algorithm Newton;12 simulate 100 steps using static algorithm;1314 dovidjenja;

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 17: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Real ESSI Simulator Components

Real ESSI Simulator Program: Finite Elements

I Dry/single phase solids (8, 20, 27, 8-27 node bricks),I Saturated/two phase solids (8 and 27 node bricks,

liquefaction modeling),I Truss, Beams, linear and nonlinearI Nonlinear concrete shell and linear shell (ANDES)I Contacts (dry and/or saturated soil/rock - concrete, gap

opening-closing, frictional slip),I Base isolators (elastomeric, frictional pendulum)I Stochastic Elastic-Plastic FEM (1D and 3D solid)

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 18: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Real ESSI Simulator Components

Real ESSI Simulator Program: Material Models

I Elastic (solids): Linear, nonlinear, isotropic and anisotropic

I Elastic-Plastic (solids): von Mises, Drucker Prager,Rounded Mohr-Coulomb, Leon Parabolic, Cam-Clay,SaniSand, SaniClay, Pisanò. All elastic-plastic models canbe used as perfectly plastic, isotropic hardening/softeningand kinematic hardening models.

I Elastic-Plastic (structures, 1D fibers): concrete and steel

I Probabilistic Elasto-Plasticity

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 19: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Real ESSI Simulator Components

Real ESSI Simulator Program: Seismic Input

Analytic input of seismic motions using Domain ReductionMethod (Bielak et al.)

I Body (P, S) seismic waves

I Surface (Rayleigh, Love, etc.) seismic waves,

I Analytic radiation damping.

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 20: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Real ESSI Simulator Components

Real ESSI Simulator Program: V&V

I Verification: mathematics issue,I Each element, model, algorithm and procedure has been

extensively verified (math issue),

I Validation: physics issue,I Limited, current DOE project will provide a wealth of data

for soil, SSI, &c.

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 21: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Examples

I Earth and Concrete Dam: level of sophistication and theinfluence of human factor (expert opinion)

I Concrete Bridge: matching of earthquake, soil andstructure dynamic characteristics

I Nuclear Power Plant: 3D (6D) vs 1D seismic motions

I Stochastic Elastic Plastic Finite Element Method: risk ofundesirable performance

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 22: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Brana

UvodMotivacijaModeling and Parametric Uncertainty

ProgramReal ESSI Simulator SystemReal ESSI Simulator Components

AnalizeBranaBetonski MostNuklearna ElektranaMehanika i Teorija Verovatno�a

ZakljuqakZakljuqak

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 23: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Brana

Dam, Satellite Photo

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 24: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Brana

Dam, 3D Slope, Satellite Photo

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 25: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Brana

3D Slope

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 26: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Brana

3D Slope, Ground Photo

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 27: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Brana

Dam, Construction Photo

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 28: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Brana

3D Dam – Slope StabilityI 3D earth slope part of a concrete, earth damI Movements recorded during lowering of reservoir (and

significant rain!)I 3D slope unstable (?), no one could tell, all commercial

software does 2D slope stabilityI 2D vs 3D slope stabilityI Shear strength (?) as the only material parameterI (")Expert(") increased value of (a single) measured shear

strengthI Load cases: lowering and raising reservoir, slow and fastI Dam build using untreated alluvium

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 29: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Brana

Dam, Section

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 30: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Brana

Dam, Model

//

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 31: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Brana

Dam Slope, Failure ModesI 3D failure patternI 3D has lower FS than 2D (!)I Original Su: FS barely enoughI With "increased" Su, FS a bit higherI Seismic: immediate slope failure

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 32: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Betonski Most

UvodMotivacijaModeling and Parametric Uncertainty

ProgramReal ESSI Simulator SystemReal ESSI Simulator Components

AnalizeBranaBetonski MostNuklearna ElektranaMehanika i Teorija Verovatno�a

ZakljuqakZakljuqak

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 33: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Betonski Most

Post-Tensioned Concrete Bridge in Variable SoilI Linear elastic deck/box girder, concrete, post-tensionedI Nonlinear frame, r. concreteI Nonlinear piles, r. concreteI Nonlinear soil (Sand, Clay)

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 34: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Betonski Most

Variable SoilI Stiff frames (bends) in variable stiffness soils

I Short periodearthquake

I Matching EQ, soiland structurestiffness

I Variable soilcreates extrademand on maingirder

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 35: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Betonski Most

Short Period Earthquake, NorthridgeI Usual assumption: soft soil is a problemI Design: static pushover, single bent, soft soilI Actual critical behavior: system in stiff and variable soil

0 10 20 30 40 50 60

−2

0

2

Time (s)

Acc

eler

atio

n (m

/s2 ) Acceleration Time Series − Input Motion (NORTHRIDGE EARTHQUAKE, 1994)

0 10 20 30 40 50 60−0.2

0

0.2

Time (s)

Dis

plac

emen

t (m

) Displacement Time Series − Input Motion (NORTHRIDGE EARTHQUAKE, 1994)

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 36: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Betonski Most

Detailed 3D Bridge Model, 3 Bends

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 37: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Betonski Most

Short Period E.: Moments, Bent #1, SSS, CCS, CCC

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 38: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Betonski Most

Short Period E.: Moments, Bent #2, SSS, CCS, CCC

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 39: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Betonski Most

Short Period E.: Moments, Bent #3, SSS, CCS, CCC

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 40: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Nuklearna Elektrana

UvodMotivacijaModeling and Parametric Uncertainty

ProgramReal ESSI Simulator SystemReal ESSI Simulator Components

AnalizeBranaBetonski MostNuklearna ElektranaMehanika i Teorija Verovatno�a

ZakljuqakZakljuqak

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 41: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Nuklearna Elektrana

Nuclear Power Plants, Modelling Issues

I Nuclear Power Plants (NPPs), early use of SSI analysis(SASSI, CLASSI, &c.)

I State of practice for ESSI analysis of NPPs:I Linear elastic materialI 1D seismic motionsI Incoherent seismic motions

I Current state of art for ESSI analysis of NPPs:I Nonlinear soil, rock, contact, structureI 3D (6D) seismic motions

I Seismic motions issue/problem

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 42: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Nuklearna Elektrana

Example Earthquake: M 6.6, Norcia, Italy, 30Oct2016

StrongMotions.com

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 43: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Nuklearna Elektrana

1D, 2D, 3D Earthquakes?

I SMART-1 array, Lotung, Taiwan,I LSST07: almost 2D (the only one!)I LSST12: full 3D

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 44: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Nuklearna Elektrana

3D (6D) or 1D Seismic Motions for NPPsI Assume that a full 6D (3D) motions at the surface are only

recorded in one horizontal directionI From such recorded motions one can develop a vertically

propagating shear wave in 1DI Apply such vertically propagating shear wave to the same

soil-structure system

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 47: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Nuklearna Elektrana

6D vs 1D NPP ESSI Response Comparison

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 48: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Nuklearna Elektrana

6D vs 1D NPP ESSI, Top of Containment, Differences

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 49: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Mehanika i Teorija Verovatno�a

UvodMotivacijaModeling and Parametric Uncertainty

ProgramReal ESSI Simulator SystemReal ESSI Simulator Components

AnalizeBranaBetonski MostNuklearna ElektranaMehanika i Teorija Verovatno�a

ZakljuqakZakljuqak

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 50: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Mehanika i Teorija Verovatno�a

Uncertain Material Parameters and Loads

I Decide on modeling complexity

I Determine model/material parameters

I Model/material parameters are uncertain!I MeasurementsI TransformationI Spatial variability

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 51: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Mehanika i Teorija Verovatno�a

Parametric Uncertainty: Material Properties

20 25 30 35 40 45 50 55 60Friction Angle [ ◦ ]

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

Prob

abili

ty D

ensi

ty fu

nctio

n

Min COVMax COV

10 20 30 40 50 60 70 80Friction Angle [ ◦ ]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Cum

ulat

ive

Prob

abili

ty D

ensi

ty fu

nctio

n

Min COVMax COV

0 200 400 600 800 1000 1200 1400Undrained Shear Strength [kPa]

0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

0.0030

0.0035

Prob

abili

ty D

ensi

ty fu

nctio

n

Min COVMax COV

0 200 400 600 800 1000 1200 1400Undrained Shear Strength [kPa]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Cum

ulat

ive

Prob

abili

ty D

ensi

ty fu

nctio

n

Min COVMax COV

Field φ Field cu

20 25 30 35 40 45 50 55 60Friction Angle [ ◦ ]

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

Prob

abili

ty D

ensi

ty fu

nctio

n

Min COVMax COV

10 20 30 40 50 60 70 80Friction Angle [ ◦ ]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Cum

ulat

ive

Prob

abili

ty D

ensi

ty fu

nctio

n

Min COVMax COV

0 50 100 150 200 250 300Undrained Shear Strength [kPa]

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

0.035

0.040

0.045

Prob

abili

ty D

ensi

ty fu

nctio

n

Min COVMax COV

0 50 100 150 200 250 300 350 400Undrained Shear Strength [kPa]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Cum

ulat

ive

Prob

abili

ty D

ensi

ty fu

nctio

n

Min COVMax COV

Lab φ Lab cu

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 52: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Mehanika i Teorija Verovatno�a

Uncertainty Propagation through Inelastic System

I Incremental el–pl constitutive equation

∆σij = EEPijkl =

[Eel

ijkl −Eel

ijmnmmnnpqEelpqkl

nrsEelrstumtu − ξ∗h∗

]∆εkl

I Dynamic Finite Elements

Mu + Cu + Kepu = F

I What if all (any) material and load parameters areuncertain

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 53: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Mehanika i Teorija Verovatno�a

Probabilistic Elasto-Plasticity: von Mises Surface

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 54: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Mehanika i Teorija Verovatno�a

Probabilistic Stress Solution:Eulerian–Lagrangian form of FPK Equation

∂P(σij(xt , t), t)∂t

=∂

∂σmn

[{⟨ηmn(σmn(xt , t),Emnrs(xt), εrs(xt , t))

⟩+

∫ t

0dτCov0

[∂ηmn(σmn(xt , t),Emnrs(xt), εrs(xt , t))

∂σab;

ηab(σab(xt−τ , t − τ),Eabcd(xt−τ ), εcd(xt−τ , t − τ)

]}P(σij(xt , t), t)

]+

∂2

∂σmn∂σab

[{∫ t

0dτCov0

[ηmn(σmn(xt , t),Emnrs(xt), εrs(xt , t));

ηab(σab(xt−τ , t − τ),Eabcd(xt−τ ), εcd(xt−τ , t − τ))

]}P(σij(xt , t), t)

](Jeremic et al. 2007, Sett and Jeremic 2010, Sett et al. 2007, 2011)

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 55: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Mehanika i Teorija Verovatno�a

Eulerian–Lagrangian FPK Equation and (SEP)FEMI Advection-diffusion equation

∂P(σij , t)∂t

= − ∂

∂σab

[N(1)

ab P(σij , t)−∂

∂σcd

{N(2)

abcdP(σij , t)}]

I Complete probabilistic description of responseI Second-order exact to covariance of time (exact mean

and variance)I Any uncertain FEM problem (Mu + Cu + Ku = F) with

I uncertain material parameters (stiffness matrix K),I uncertain loading (load vector F)

can be analyzed using PEP and SEPFEM to obtain PDFsof DOFs, stress, strain...

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 56: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Mehanika i Teorija Verovatno�a

Probabilistic Elastic-Plastic Response

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 57: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Mehanika i Teorija Verovatno�a

Spectral Stochastic Elastic–Plastic FEM

I Minimizing norm of error of finite representation usingGalerkin technique (Ghanem and Spanos 2003, Sett et al.2011):

N∑n=1

K epmndni +

N∑n=1

P∑j=0

dnj

M∑k=1

CijkK′epmnk = 〈Fmψi [{ξr}]〉

K epmn =

∫D

BnEepBmdV K′epmnk =

∫D

Bn√λkhkBmdV

Cijk =⟨ξk (θ)ψi [{ξr}]ψj [{ξr}]

⟩Fm =

∫DφNmdV

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 58: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Mehanika i Teorija Verovatno�a

Wave Propagation Through Uncertain Soil

0 100 200 300 400 500Shear modulus G [MPa]

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.014

PDF

min COVmax COV

30 20 10 0 10 20 30 40 50 60Shear strength τ [kPa]

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

PDF

min COVmax COV

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Time [s]

0.03

0.02

0.01

0.00

0.01

0.02

0.03

Disp

lace

men

t [m

]

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 59: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Mehanika i Teorija Verovatno�a

Uncertain Response at the Surface (COV = 120%)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Time [s]

0.08

0.06

0.04

0.02

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

Disp

lace

men

t [m

]

MM - SD

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 60: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Mehanika i Teorija Verovatno�a

Displacement PDFs at the Surface (COV = 120%)

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 61: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Mehanika i Teorija Verovatno�a

Displacement CDFs (Fragilities) at the Surface (COV = 120%)

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 62: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Mehanika i Teorija Verovatno�a

Probability of Exceedance, disp = 0.1m (COV = 120%)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Time [s]

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

Prob

. of e

xcee

danc

e (d

= 0

.1m

)

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 63: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Zakljuqak

UvodMotivacijaModeling and Parametric Uncertainty

ProgramReal ESSI Simulator SystemReal ESSI Simulator Components

AnalizeBranaBetonski MostNuklearna ElektranaMehanika i Teorija Verovatno�a

ZakljuqakZakljuqak

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije

Page 64: Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli ...sokocalo.engr.ucdavis.edu/~jeremic/Dinamikatlaikonstrukcijepri zem otresima,nepouzdanimodeli, nepouzdaniparametriiteorija

Uvod Program Analize Zakljuqak

Zakljuqak

SummaryI High fidelity modeling and simulation allows reduction of

modeling uncertainty and direct propagation of parametricuncertainties through the dynamic ESSI system

I Development and expert use of high fidelity modeling andsimulation numerical tools: Real ESSI Simulator System

I Education and training of users (researchers, designers,regulators, owners) will prove essential

I Collaborators: Yang, Cheng, Jie, Sett, Taiebat, Tafazzoli,Karapiperis, Abell, Pisanò, Feng, Sinha, Lacour, Yang,Behbehani, Wang, Petrone, Wong, McKenna, McCallen

I Funding from and collaboration with the US-NRC, US-NSF,US-DOE, CNSC, LBNL, LLNL, INL, ILEE, AREVA NPGmbH, and Shimizu Corp. is greatly appreciated,

Jeremi�

Modelovanje tla i konstrukcije