factors affecting site response to multi directional...

42
1 Factors Affecting Site Response to Multidirectional Earthquake 1 Loading 2 3 J. Yang 1 and X.R. Yan 1 4 5 6 ABSTRACT 7 8 This paper presents an investigation into various factors that may affect the ground 9 response to multidirectional earthquake loading, focusing mainly on the behavior of 10 vertical ground motion and its relation with the horizontal counterpart. The factors 11 investigated herein include the intensity of input motion and the associated soil 12 nonlinearity, the location of input motion (rock outcrop versus bedrock), the variation 13 of water table, and the damping property of soil. Influence of these factors is studied 14 on the characteristics of site amplification in both vertical and horizontal directions, 15 the response spectra of vertical and horizontal ground surface motions, the spectral 16 ratio between the two components (V/H) at the ground surface, and the distributions 17 of stresses and strains in the ground. One of the main results is that varying water 18 table can bring about a significant impact on vertical motion and the the relationship 19 between vertical and horizontal motions. The surface response spectral ratio (V/H) 20 can largely exceed the ruleofthumb value 2/3 at low periods with lowering the 21 water table, but does not appear to be substantially affected at long periods. 22 Key words: earthquakes; ground motion; site response; soil damping; soil nonlinearity 23 24 1 Department of Civil Engineering, The University of Hong Kong, Hong Kong (Email: [email protected])

Upload: lamnhan

Post on 01-Aug-2018

214 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

1

Factors Affecting Site Response to Multi‐directional Earthquake 1

Loading  2  3

J. Yang1 and X.R. Yan1 4  5  6

ABSTRACT 7  8 This paper presents an  investigation  into various factors that may affect the ground 9

response to multi‐directional earthquake loading, focusing mainly on the behavior of 10

vertical ground motion and  its relation with  the horizontal counterpart. The  factors 11

investigated  herein  include  the  intensity  of  input motion  and  the  associated  soil 12

nonlinearity, the location of input motion (rock outcrop versus bedrock), the variation 13

of water table, and the damping property of soil. Influence of these factors is studied 14

on  the characteristics of site amplification  in both vertical and horizontal directions, 15

the response spectra of vertical and horizontal ground surface motions,  the spectral 16

ratio between the two components (V/H) at the ground surface, and the distributions 17

of stresses and strains  in  the ground. One of  the main results  is  that varying water 18

table can bring about a significant impact on vertical motion and the the relationship 19

between vertical and horizontal motions. The  surface  response  spectral  ratio  (V/H) 20

can  largely  exceed  the  rule‐of‐thumb  value  2/3  at  low  periods with  lowering  the 21

water table, but does not appear to be substantially affected at long periods.       22

Key words: earthquakes; ground motion; site response; soil damping; soil nonlinearity  23

24

1 Department of Civil Engineering, The University of Hong Kong, Hong Kong (E‐mail: 

[email protected]

Page 2: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

2

INTRODUCTION 25

Evaluation of site response to earthquakes plays an important role in seismic design 26

of  engineering  structures.  Most  of  site  response  analyses  have  concentrated  on 27

horizontal ground motion,  in which site response  is regarded as the consequence of 28

the vertical propagation of shear waves in a horizontally layered system. Although it 29

has  long been recognized that  the ground  is simultaneously subjected  to shaking  in 30

both  horizontal  and  vertical  directions  during  a  real  earthquake,  vertical  ground 31

motion,  as  compared  with  its  horizontal  counterpart,  has  received  much  less 32

attention. As a result, knowledge with regard to the characteristics of vertical ground 33

motion  and,  particularly,  with  regard  to  relating  vertical  and  horizontal  ground 34

motions  is  rather  limited.  The  common  procedure  for  generating  vertical  design 35

spectra, as documented in many seismic provisions and codes (e.g., UBC, 1997), is to 36

simply multiply  a  factor  (typically  a value  of  2/3)  to  the horizontal design  spectra 37

(Fig. 1). In other words, it is assumed that the response spectral ratio between vertical 38

and horizontal motions is a constant less than 1 over the entire period of interest and 39

for all site conditions.        40

However,  several  studies  on  ground  motion  records  obtained  in  recent 41

earthquakes have shown that the constant (V/H) ratio  is not a good descriptor (e.g., 42

Yang  and  Sato,  2000;  Elgamal  and He,  2004;  Yang  and  Lee,  2007).  The  response 43

spectral ratio (V/H) depends on a number of factors (e.g., site‐to‐source distance and 44

source mechanism),  and  can  be  significantly  greater  than  2/3  at  short  periods  in 45

moderate and large earthquakes. In the most recent Wenchuan, China earthquake of 46

Page 3: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

3

May 12, 2008, vertical ground acceleration as  large as 0.633 g  (g  is  the gravity) was 47

recorded in the epicenter zone.  48

From  a  geotechnical  engineering  perspective,  it  is  of  particular  interest  to 49

identify  the  influence  of  such  factors  as  the  intensity  of  earthquake  motion,  the 50

location  of  input  motion  (or  control  motion),  the  depth  of  water  table,  and  the 51

damping property of  soil on  the behavior of vertical motion as well as  its  relation 52

with the horizontal motion. This is precisely the purpose of the present study. In an 53

earlier study by Yang and Yan (2009), a simple procedure was proposed for analysis 54

of  the  ground  response  under  both  vertical  and  horizontal  earthquake  loading; 55

validation  of  the  analytical  procedure  against  the  downhole  array  records  at  the 56

Turkey  Flat  test  site  in  California  showed  reasonably  good  agreement  between 57

predictions and measurements. By using this newly developed procedure, a series of 58

analyses have been carried out for a hypothesized site with the aim to explore several 59

potential  influencing  factors.  The  main  results  derived  from  these  analyses  are 60

presented in this paper.  61

 62

HYPOTHESIZED SITE AND INPUT MOTION 63

The hypothetical soil site is shown in Fig. 2. The soil profile is 30 m deep comprising a 64

surface sandy clay  layer of 10 m and an underlying  sand  layer of 20 m. The water 65

table  is located at the depth of 5 m below the ground level. The mass density of the 66

clay is assumed to be 1800 kg/m3 and the density of the sand is 2000 kg/m3.  The shear 67

wave velocity, Vs, varies from 170 m/s in the clay layer to 350 m/s in the sand layer. 68

Page 4: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

4

Using the UBC site classification system, the site can be categorized to be a stiff‐soil 69

site. On the other hand, the compressional wave velocity, Vp, is assumed to vary from 70

360 m/s in the clay above the water level, to 1561 m/s in the clay below the water level, 71

and to 1788 m/s in the sand. The location of bedrock is assumed to be at the depth of 72

30 m, with the shear wave velocity of 470 m/s and the compressional wave velocity of 73

2007 m/s.   74

The  nonlinear  behavior  of  the  sandy  clay  in  terms  of  the  shear  modulus 75

reduction curve and the damping ratio curve is described using the proposal by Sun 76

et al. (1988), while the nonlinear behavior of the sand is assumed to follow the curves 77

developed by Seed and Idriss (1970). The input motions used in this study are shown 78

in Fig. 3 in terms of acceleration time histories and response spectra at 5% damping. 79

They  are  the  north‐south  and  up‐down  components  of  the  acceleration  records 80

obtained at the Mount Wilson station during the 1987 Whittier Narrows earthquake 81

in California. The peak horizontal acceleration appearing at 2.84 s  is 1.482 m/s2, and 82

the peak vertical acceleration, 0.756 m/s2, occurs at 3.08 s. As can be seen in Fig. 3(b), 83

the  spectral  accelerations  in  both  directions  take  the  maxima  at  periods  of 84

approximately 0.16 s. 85

 86

INFLUENCE OF INPUT MOTION INTENSITY 87

Among various measures of earthquake ground motion, peak acceleration has been 88

widely used  in engineering practice  to characterize  the  intensity of seismic  loading. 89

To investigate its effect, the original horizontal and vertical acceleration records given 90

Page 5: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

5

in Fig. 3 are scaled simultaneously by multiplying factors of 0.5 and 2, respectively, to 91

produce  two more sets of acceleration records having different  intensity  levels. The 92

three sets of records are referred to as Level 1, 2 and 3 hereafter. Analyses have been 93

performed  by  subjecting  the  hypothesized  soil  profile  to  these  three  sets  of 94

accelerations, which were all specified at the rock outcrop (see Fig. 2).  95

Figure 4 shows the influence of motion intensity on the transfer functions for 96

horizontal and vertical motions.  It  is clear  that site  frequencies  in both components 97

decrease with  increasing  intensity  level or  increasing peak acceleration. For Level 1 98

earthquake motion (the weakest case), the fundamental frequency is at 2.5 Hz for the 99

horizontal component and 12.5 Hz for  the vertical component. By comparison,  they 100

are  reduced  to  be  2.2  and  11 Hz  in  the  case  of Level  3  earthquake motion.  In  the 101

meantime,  peak  values  of  the  spectral  ratios  in  both  components  are  reduced 102

substantially when the intensity of input motion increases. For example, the vertical 103

amplification at the fundamental frequency drops from approximately 25 at Level 1 104

motion  to  about  13  at  Level  3;  the  horizontal  amplification  at  the  fundamental 105

frequency varies  from approximately 17 at Level 1  to  less  than 10 at Level 3  input 106

motion.  107

The above observations are mainly attributed, as will be  shown  later,  to  the 108

following  two  effects.  First,  higher  peak  acceleration  causes  a  higher  hysteretic 109

damping and therefore a  larger reduction of site amplification. Second, higher peak 110

acceleration  results  in  larger  strains and  reduced moduli and  thus  lower  frequency 111

response. 112

Page 6: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

6

Site amplification has sometimes been simply examined in practice by a factor 113

which is defined as the ratio between the peak acceleration at the ground surface and 114

the  peak  acceleration  at  the  base  of  soil  deposit  (e.g.,  Idriss,  1990)  Following  this 115

practice,  the  amplification  factors  for  both  horizontal  and  vertical  motions  are 116

calculated for the three cases of intensity levels and summarized in Table 1. It is noted 117

that the amplification factor for horizontal motion decreases with increasing intensity 118

level.  The  amplification  factor  for  vertical  motion,  however,  is  found  to  be  an 119

increasing  function  of  the  intensity  level.  This  implies  that  the  so‐defined 120

amplification factor, as compared with the transfer function given in Fig. 4, is not an 121

appropriate indicator for soil nonlinearity involved with vertical motion.   122

As far as the ratio between peak vertical and horizontal accelerations (V/H) is 123

concerned, it is interesting to note that the ratio increases with increasing intensity at 124

the  ground  surface  but  decreases with  increasing  intensity  at  the  base  of  the  soil 125

deposit. Consequently, the surface‐to‐base (V/H) ratio is an increasing function of the 126

intensity of input motion.      127

The  influence of  the  intensity of  input motion on surface response spectra  is 128

shown  in  Fig.  5  for  both  horizontal  and  vertical motions. Again,  the  influence  is 129

observed to be significant on both components. In the case of Level 1  input motion, 130

the peak spectral acceleration in the horizontal direction is approximately 1/3 of that 131

under  Level  3  input  motion.  Similarly,  the  peak  spectral  acceleration  in  vertical 132

direction at Level 3 is about 5 times the peak value at Level 1 input motion. It is worth 133

noting from Fig. 6 that, while the intensity of input motion has a profound influence 134

Page 7: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

7

on both individual components, its impact on the response spectral ratio between the 135

vertical and horizontal motions (V/H) appears to be less significant. With  increasing 136

the motion  intensity, a  slight  increase  in  the  (V/H) spectral  ratio occurs  for periods 137

lower  than 0.2 s;  for  longer periods  the  influence becomes negligible and  the  (V/H) 138

ratio  is  generally  less  than  2/3.  In  the  period  range  of  0.05‐0.2  s,  the  (V/H)  ratio 139

substantially exceeds 2/3 regardless of the intensity of input motion.       140

Shown  in  Fig.  7  are  the  variations  with  depth  of  peak  accelerations  in 141

horizontal and vertical directions  for  the  three  intensity  levels. The  influence of  the 142

motion intensity on the profiles of peak stresses and peak strains is presented in Fig. 8. 143

Generally, higher intensity level causes larger response in both components. It is to be 144

noted that there is a dramatic variation in peak horizontal acceleration occurring at a 145

depth of 5  to 10 m, while a high gradient of peak vertical acceleration appears at a 146

depth of about 5 m. Significant variations in shear and normal strains are observed in 147

similar zones. Recalling  the soil profiles given  in Fig. 2,  the observed variations are 148

considered reasonable.       149

Figure 9 presents  the profiles of  the degraded shear and constrained moduli 150

and the shear‐strain compatible damping ratio ( h ) under different intensity levels of 151

input motion. It can be seen that the higher the input motion intensity, the smaller the 152

moduli  and  the  larger  the  damping  ratio. With  respect  to  the  shear modulus,  the 153

influence of intensity tends to be appreciable in the sand layer below the depth of 10 154

m.  The  influence  on  the  constraint modulus,  however,  becomes  notable  for  soils 155

below  the  depth  of  5 m.  This  is  consistent with  the  previous  observation  on  the 156

Page 8: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

8

variation of normal strain, and  is  thought  to be associated with  the variation of  the 157

compressional wave velocity and Poisson’s ratio with depth.   158

 159

INFLUENCE OF LOCATION OF INPUT MOTION 160

In site response analysis there are generally two options to input earthquake motion: 161

one is to specify the motion at a rock outcrop, as done in the above case analyses, and 162

the  other  is  at  the  bedrock  or  soil‐rock  interface  (Fig.  2).  In  the  former  case  the 163

incident waves are equal  in amplitude with the reflected waves at the rock outcrop, 164

as required by the free‐stress condition. In the theoretical procedure used herein, this 165

case is handled by introducing a radiation dashpot at the soil‐rock interface, with the 166

damping  coefficients determined  from  the properties  of  the  bedrock.  For  the  later 167

case, the response of the site can be established directly by solving the displacement‐168

force equation as described by Yang and Yan (2009). Since there has been confusion 169

with  the bedrock and outcrop  inputs, an effort  is made here  to clarify  this  issue by 170

examining  the  difference  in  ground  response  for  two  cases:  in  one  case  the 171

earthquake motion is input at the rock outcrop and in the other case the same motion 172

is input at the bedrock.  173

Using the acceleration records given in Fig. 3 as the bedrock and outcrop input 174

respectively, the response spectra of ground surface motions were calculated and are 175

compared  in Fig. 10.  In both plots  the curves  for  the case of outcropping  input are 176

denoted as “outcropping” while the curves generated from  the case of bedrock input 177

are  labeled as “bedrock”. Shown  in Fig. 11 are  the profiles of peak accelerations  in 178

Page 9: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

9

both directions for the two cases. The results for stresses and strains in the two cases 179

are presented in Fig. 12.    180

The  overall  observation  on  these  figures  is  that,  compared with  the  case  of 181

outcropping input, the response of the site to the same earthquake motion but input 182

at the bedrock  is stronger  in both vertical and horizontal directions. Accordingly,  in 183

the case of bedrock  input more significant modulus  reduction and higher damping 184

are observed (Fig. 13). These observations are reasonable because in the outcropping 185

case, perfect reflection occurs due to the free stress conditions (i.e. reflected waves are 186

equal to incident waves), whereas in the bedrock case part of the incident waves are 187

transmitted  into  the  soils  resulting  in  the  reflected waves  of  being  less  than  the 188

incident waves. More detailed discussion  on  the  relation  between  bedrock motion 189

and outcropping motion can be referred to Yang and Yan (2009).  190

Moreover,  the  difference  in  the modulus  reduction  and  damping  ratio will 191

bring about changes  in site  frequencies  in both horizontal and vertical components. 192

For example, the fundamental frequency of the vertical motion in the case of bedrock 193

input is about 94% of that in the case of outcropping input. It should be noted that the 194

change of input motion position will not cause difference in the transfer function for 195

either component if the nonlinear behavior of the soil is not taken into account.   196

With respect  to  the response spectral ratio  (V/H) at  the ground  level, Fig. 14 197

shows  that  the  ratio  is  substantially  increased at  short periods  (less  than 0.2  s) but 198

slightly decreased  at  periods  longer  than  0.2  s when  the  location  of  input motion 199

changes from rock outcrop to the base of the soil deposit. 200

Page 10: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

10

Table 2 gives peak values of the horizontal and vertical surface accelerations in 201

the  two  cases  of  input motion  position. Note  that  the  influence  of  input motion 202

position is more significant for vertical motion than for horizontal motion; this is also 203

observed  on  Fig.  10.  As  for  the  ratio  between  peak  vertical  and  peak  horizontal 204

accelerations  at  the  ground  surface,  the  results  show  that  it  increases  from  0.5  for 205

outcropping input to 0.98 for bedrock input.   206

 207

INFLUENCE OF WATER LEVEL 208

The analysis of Yang and Sato  (2000) on  the downhole array records at a reclaimed 209

site in Kobe, Japan has indicated that the variation of water table plays an important 210

role in the amplification of vertical ground motion. To further investigate this effect, 211

three cases of water  levels are examined  in parallel  in this section (Fig. 15):  the first 212

case is for water level at the surface (i.e. WL=0 m), the second case is for water level at 213

5 m below  the surface  (i.e.  the case discussed previously), and  in  the  third case  the 214

depth of water table is at 10 m. Note that in the three cases the profiles of the shear 215

wave velocity (Vs) are assumed  to be  identical but  the profiles of  the compressional 216

wave velocity (Vp) vary with the change of water table. In the case of WL=0 m, Vp is 217

assumed to vary from 1561 m/s in the clay layer to 1785 m/s in the underlying sand, 218

whereas  in  the case of WL=10 m,  it  is assumed  to vary  from 360 m/s  in  the clay  to 219

1785 m/s in the sand layer.   220

The above assumption for the variations of Vp and Vs is based on the results of 221

the  studies by Yang and Sato  (2000) and Yang  et al.  (2004), which  indicate  that  the 222

Page 11: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

11

presence  of  ground water  has  a  significant  influence  on  the  compressional wave 223

velocity but little influence on the shear wave velocity and that a dramatic change in 224

the compressional wave velocity may occur at the location of water table.        225

Figure 16  compares vertical ground  surface motions  computed  for  the  three 226

water  levels  in  terms  of  the  acceleration  time  histories.  Shown  in  Fig.  17  is  the 227

influence of water level on the surface response spectra and the transfer function for 228

vertical motion. Clearly, the variation of water table brings about a profound effect on 229

the  behavior  of  vertical motion.  The  transfer  function will  be  shifted  to  the  low 230

frequency  end  when  the  water  table  is  lowered.  For  example,  the  fundamental 231

frequency is found to be at 13.4 Hz when the water table is at the ground surface, but 232

it drops  to 7.4 Hz when  the depth of water  table becomes 10 m.  In  the meantime, 233

lowering water table brings about a much stronger amplification of vertical motion, 234

as can be seen from Fig. 17(a). The peak spectral acceleration in the case of WL=10 m 235

is about 3 times that in the case of WL=0 m.  236

With  respect  to  the  relation between vertical and horizontal motions, Fig. 18 237

shows  that  the  variation  of  water  table  can  also  significantly  affect  the  response 238

spectral  ratio  (V/H) at  the ground surface. For water  level at  the surface,  the  (V/H) 239

spectral ratio is generally below the value of 2/3 in the whole range of period. If the 240

water level is lowered to the depth of 10 m, the ratio will increase sharply for periods 241

shorter than about 0.2 s, with the peak value of as large as 2.3. On the other hand, the 242

influence of varying water  table  is  found  to be slight  for  the spectral  ratio  (V/H) at 243

periods longer than 0.6 s.         244

Page 12: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

12

Shown in Fig. 19 are distributions with depth of the peak vertical acceleration 245

and vertical velocity under different water levels. High gradients are found to occur 246

at  the  depth  that  is  close  to  the water  table.  Taking  the  case  of WL=10 m  as  an 247

example,  peak  vertical  acceleration  is  increased  only  by  26% when  seismic waves 248

travel from the base to the depth of 10 m; but it is increased by 200% when the waves 249

further propagate from the depth of 10 m to the ground surface. This result highlights 250

the  importance  of  varying  water  table  in  vertical  site  amplification,  and  is  in 251

agreement  with  the  observation  on  the  downhole  array  records  in  the  Kobe 252

earthquake (Yang and Sato, 2000). 253

For ease of reference, Table 3 summarizes  the peak values of vertical surface 254

accelerations under different water  levels.  It  is worth noting  that  the peak vertical 255

acceleration at WL=10 m  is about 2.6  times  that at WL=0 m. The peak acceleration 256

ratio (V/H) accordingly increases from 0.37 in the case of WL=0 m to 0.96 at WL=10 m. 257

 258

INFLUENCE OF DAMPING RATIO 259

The  damping  property  of  soils  associated with  shear wave  propagation  has  been 260

studied  extensively  (e.g., Sun  et al.,  1988; Vucetic and Dobry,  1991;  Ishihara,  1996). 261

Current knowledge of soil damping with respect to the propagation of compressional 262

waves is however very limited, although several attempts have been made to discuss 263

the  combined  loading  effect  (e.g., Zhang  and Aggour,  2004).  In  the  previous  case 264

studies, the damping ratio for vertical motion ( v ) was assumed to be identical with 265

the damping ratio for horizontal motion ( h ), which was derived from the horizontal 266

Page 13: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

13

site  response  analysis  through  iterations.  It  is  necessary  to  examine  the  potential 267

effect of damping ratio,  v  , on the vertical site response. For this purpose, two more 268

cases of vertical damping,  0.5v h  and  2v h , are assumed for the reference soil 269

profile given in Fig. 2.  270

  The  surface  response  spectra of vertical motion under  three damping  ratios 271

are presented in Fig. 20(a). The transfer functions for vertical motion under the three 272

damping ratios are presented in Fig. 20(b). As expected, an increase in damping ratio 273

( v )  results  in  a  greater  reduction  in  vertical  amplification.  In  the  case  of  low 274

damping ratio, i.e.  0.5v h , the vertical amplification at the fundamental frequency 275

is as large as 37; but it is reduced to be less than 10 when  2v h . On the other hand, 276

the influence of vertical damping ratio on the surface response spectra appears to be 277

minor for the entire range of periods. Accordingly, the surface response spectral ratio 278

(V/H) is not significantly affected by the variation of vertical damping (Fig. 21). 279

The  influence of damping  ratio on peak vertical acceleration and velocity at 280

ground surface is summarized in Table 4. It is noted that when the damping ratio is 281

decreased  from 2 h  to 0.5 h ,  the peak acceleration ratio  (V/H)  is  increased by 10%, 282

from 0.48 to 0.54.        283

 284

IMPLICATIONS FOR PRACTICE  285

The  results presented  in  the preceding  sections  indicate  that  the current practice  to 286

produce vertical response spectra for seismic design is not adequate as the response 287

spectral ratio (V/H) is influenced by a number of geotechnical factors, in addition to 288

Page 14: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

14

source mechanism and site‐to‐source distance. In particular,  the behavior of vertical 289

motion can be significantly affected by the variation of water table or the associated 290

variation  in compressional wave velocity, which may occur  in certain circumstances 291

such as change of seasons. It is thus necessary to examine the water table conditions 292

in  interpreting  vertical  earthquake  motion  recordings.  A  good  example  can  be 293

referred to the study of Yang and Sato (2000). 294

The results presented here also have useful implications for the applications of 295

the site‐evaluation technique known as (H/V), which is based on the interpretation of 296

recordings of microtremors or weak ground motions in both horizontal and vertical 297

components and has drawn an  increasing  interest  in practice (e.g., Mucciarelli et al., 298

2003), 299

Since there is possibility that vertical motion at the ground surface can become 300

comparable  to  or  even  larger  than  its  horizontal  counterpart  in  magnitude,  it  is 301

necessary  to  take  into  account  a wider  range  of magnitudes  of  vertical motion  in 302

seismic  analysis  and  design  of  engineering  structures.  Several  recent  studies  have 303

shown that the effect of vertical motion should not be simply disregarded (Ling and 304

Leshchinsky, 1998; Mylonakis and Gazetas, 2002; Yang, 2007).      305

  Owing  to  the  simplifications  introduced  in  the present modeling procedure, 306

the  effects  on  ground  motions  due  to  very  strong  nonlinear  soil  response,  in 307

particular  that associated with  soil  liquefaction  (e.g., Yang  et al., 2000), may not be 308

well accounted  for.  In  these situations more sophisticated procedures such as  fully‐309

coupled, elasto‐plastic, 2D or 3D finite element programs can be sought to investigate 310

Page 15: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

15

the ground motion characteristics. However, it is to be recognized that these analyses 311

usually  involve  with  great  difficulty  and  uncertainty  in  determination  of  the 312

parameters  of  constitutive models  for  soils,  rendering  them  unsuitable  for  routine 313

engineering practice.       314

 315

CONCLUSIONS 316

An  attempt  has  been made  in  this  study,  by  using  a  simple  analytical  procedure 317

developed by Yang and Yan (2009), to investigate potential factors that may influence 318

ground  response  to vertical and horizontal earthquake  loading. Particular attention 319

has  been paid  to  the  behavior  of  vertical  ground motion  and  its  relation with  the 320

horizontal  counterpart,  on which  current understanding  is  very  limited. The main 321

results of the present study can be summarized as follows. 322

(a) Site  frequencies  for  both  vertical  and  horizontal  motions  decrease  with 323

increasing the intensity of input motion, accompanied by a significant reduction 324

of site amplification at these frequencies. This is due primarily to high hysteretic 325

damping and reduced moduli associated with strong earthquake motion.   326

(b) While  the  intensity  of  input  motion  has  a  profound  influence  on  the 327

characteristics  of  individual  components  of  ground  motions,  its  impact  is 328

however less significant on the response spectral ratio between the vertical and 329

horizontal motions (V/H) at the surface.  330

Page 16: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

16

(c) The amplification factor, simply defined as the ratio between peak accelerations 331

at the surface and at the base of soil deposit, is not an appropriate indicator for 332

soil nonlinearity involved with vertical ground motion. 333

(d) Compared with  the case of  rock outcropping  input,  the  response of  the site  to 334

the same earthquake motion specified at the bedrock is stronger in both vertical 335

and horizontal directions. Vertical ground response appears to be affected more 336

significantly by the location of input motion than the horizontal one. 337

(e) The  variation  of water  table  can  bring  about  a  significant  impact  on  vertical 338

ground response. When  the water  table  is  lowered, site frequencies for vertical 339

motion will be shifted to the low frequency end and the surface response spectra 340

will exhibit higher peak values.  341

(f) The surface response spectral ratio (V/H)  increases substantially at low periods 342

with  lowering  the water  table, but  is not affected  significantly at  long periods 343

(greater than 0.6 s).   The peak value of the spectral ratio (V/H) tends to  largely 344

exceed the rule‐of‐thumb value 2/3 when the water table is lowered.    345

(g) The  vertical  amplification  at  site  frequencies  decreases  with  increasing  the 346

damping ratio for vertical motion, but the influence of damping ratio appears to 347

be minor on the response spectra of vertical surface motion and on the response 348

spectral ratio (V/H) at the surface. 349

 350

ACKNOWLEDGEMENTS 351

Page 17: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

17

The work described  in this paper was supported by the Research Grants Council of 352

Hong  Kong  (Grant  numbers:  HKU7127/04E  and  HKU7191/05E).  This  support  is 353

gratefully acknowledged. 354

 355

REFERENCES 356

Elgamal,  A.  and  He,  L.  2004.  Vertical  earthquake  ground  motion  record:  An 357

overview. Journal of Earthquake Engineering 8, 663‐697. 358

Idriss,  I.M. 1990. Response of  soft  soil  sites during earthquakes. Proceedings of  the 359

Symposium to Honor Professor H.B. Seed, Berkeley, California, 273‐289. 360

Ishihara, K. 1996. Soil behaviour in earthquake geotechnics. Oxford: Clarendon Press. 361

Ling, H. I. and Leshchinsky, D. 1998. Effects of vertical acceleration on seismic design 362

of geosynthetic‐reinforced soil structures. Géotechnique 48(3), 347–373. 363

Mucciarelli, M., Gallipoli, M.R. and Arcieri, M. 2003. The stability of the horizontal‐to‐364

vertical  spectral  ratio of  triggered noise and  earthquake  recordings. Bulletin of 365

the Seismological Society of America 93(3), 1407‐1412. 366

Mylonakis,  G.  and  Gazetas,  G.  2002.  Kinematic  pile  response  to  vertical  P‐wave 367

seismic  excitation.  Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 368

ASCE 128(10), 860‐865.  369

Seed, H.  B.  and  Idriss,  I. M.  1970.  Soil moduli  and  damping  factors  for  dynamic 370

response analyses. Report EERC 70‐10, Earthquake Engineering Research Center, 371

University of California, Berkeley. 372

Page 18: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

18

Sun, J. I., Golesorkhi, R. and Seed, H. B. 1988. Dynamic moduli and damping ratios 373

for  cohesive  soils.  Report UCB/EERC  88/15,  Earthquake  Engineering  Research 374

Center, University of California, Berkeley. 375

UBC  1997. Uniform Building Code.  International Conference  of  Building Officials, 376

Whittier, California. 377

Vucetic, M. and Dobry, R. 1991. Effect of soil plasticity on cyclic response. Journal of 378

Geotechnical Engineering, ASCE 117(1), 89‐107. 379

Yang, J. 2008. On seismic landslide hazard assessment. Géotechnique 57(8), 707‐713.    380

Yang, J. and Lee, C.M. 2007. Characteristics of vertical and horizontal ground motions 381

recorded during the Niigata‐ken Chuetsu, Japan earthquake of 23 October 2004. 382

Engineering Geology 94(1‐2), 50‐64. 383

Yang, J. and Sato, T. 2000. Interpretation of seismic vertical amplification observed at 384

an array site. Bulletin of the Seismological Society of America 90(2), 275‐285. 385

Yang, J., Sato, T. and Li, X.S. 2000. Nonlinear site effects on strong ground motion at a 386

reclaimed island. Canadian Geotechnical Journal 37, 26‐39. 387

Yang, J., Savidis, S. and Roemer, M. 2004. Evaluating liquefaction strength of partially 388

saturated  sand.  Journal  of  Geotechnical  and  Geoenvironmental  Engineering, 389

ASCE 130(9), 975‐979. 390

Yang, J. and Yan, X.R. 2009. Site response to multi‐directional earthquake loading: A 391

practical procedure. Soil Dynamics and Earthquake Engineering 29, 710‐721. 392

Page 19: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

19

Zhang, X.  J. and Aggour, M. S. 2004. Effects of  coupled vibrations on  the dynamic 393

properties of  sands. Proceedings  of  the  13th World Conference  on Earthquake 394

Engineering, Vancouver, Canada. 395

396

Page 20: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

20

List of Figures 397

Figure 1. Schematic illustration of the common procedure for generating vertical design 398 spectra from the horizontal design spectra 399  400 Figure 2. A hypothesized site for analysis 401  402 Figure 3. Input motions used: (a) time histories; (b) response spectra 403  404 Figure 4. Transfer functions (surface‐to‐base) under various levels of motion intensity: (a) 405 horizontal component; (b) vertical component 406  407 Figure 5. Response spectra of ground surface motions under various levels of motion 408 intensity: (a) horizontal component; (b) vertical component 409  410 Figure 6. Influence of the intensity of input motion on the response spectral ratio between 411 vertical and horizontal surface motions (V/H) 412  413 Figure 7. Influence of the intensity of input motion on distributions of peak accelerations 414 with depth: (a) horizontal component; (b) vertical component 415  416 Figure 8. Influence of the intensity of input motion on distributions of stresses and strains 417 with depth: (a) peak shear stress; (b) peak shear strain; (c) peak normal stress; (d) peak 418 normal strain 419  420 Figure 9. Influence of the intensity of input motion on distributions of degraded moduli 421 and damping with depth: (a) shear modulus; (b) constrained modulus; (c) damping ratio 422  423 Figure 10. Influence of input motion position on the response spectra of ground surface 424 motions: (a) horizontal component; (b) vertical component 425  426 Figure 11. Influence of input motion position on distributions of peak accelerations with 427 depth: (a) horizontal component; (b) vertical component 428  429 Figure 12. Influence of input motion position on distributions of stresses and strains with 430 depth: (a) peak shear stress; (b) peak shear strain; (c) peak normal stress; (d) peak normal 431 strain 432  433 Figure 13. Influence of input motion position on distributions of (a) shear modulus 434 reduction and (b) damping ratio 435  436 Figure 14. Influence of input motion position on the response spectral ratio between 437 vertical and horizontal surface motions (V/H) 438  439 Figure 15. Three cases of water levels under investigation: (a) WL=0 m; (b) WL=5 m; (c) 440 WL=10 m 441

Page 21: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

21

 442 Figure 16. Vertical ground surface accelerations under various water levels: (a) WL=0 m; 443 (b) WL=5 m; (c) WL=10 m 444  445 Figure 17. Influence of water level on vertical ground motion: (a) surface response spectra; 446 (b) transfer function (surface‐to‐base) 447  448 Figure 18. Influence of water level on the response spectral ratio between vertical and 449 horizontal surface motions (V/H) 450  451 Figure 19. Influence of water level on distributions of (a) peak vertical acceleration and (b) 452 peak vertical velocity 453  454 Figure 20. Influence of damping ratio on vertical ground motion: (a) surface response 455 spectra; (b) transfer function (surface‐to‐base) 456  457 Figure 21. Influence of damping ratio on the response spectral ratio between vertical and 458 horizontal surface motions (V/H) 459 460

Page 22: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

×

Soil site

Rock site

Horizontal design spectra

Vertical design spectra

2/3

Spectral ratio (V/H)

Period

Period

Period

Figure 1. Schematic illustration of the common procedure for generating vertical design spectra from the horizontal design spectra

Page 23: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

Rock outcrop

Rock

Bedrock

Sandy clay

Sand

10m

20m

Vs=470m/sVp=2007m/s

Vs=350m/sVp=1785m/s

Vs=170m/sVp=360m/s (above WT)Vp=1561m/s (below WT)

5m

Figure 2. A hypothesized site for analysis

WL

Page 24: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

-2

0

2

0 5 10 15 20

Time (s)

Acc

eler

atio

n (m

/s/s

)

-1

0

1

0 5 10 15 20

Time (s)

Acc

eler

atio

n (m

/s/s

)

0

2

4

6

0.01 0.1 1 10

Period (s)

Spe

ctra

l acc

eler

atio

n (m

/s/s

)

NS

UD

Horizontal motion (NS)

Vertical motion (UD)

Figure 3. Input motions used: (a) time histories; (b) response spectra

(a) (b)

5% damping

Page 25: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25

Frequency (Hz)

Spe

ctra

l rat

ioLevel 1

Level 2

Level 3

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25

Frequency (Hz)

Spe

ctra

l rat

io

Level 1

Level 2

Level 3

Figure 4. Transfer functions (surface-to-base) under various levels of motion intensity: (a) horizontal component; (b) vertical component

(a) (b)

Page 26: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

Figure 5. Response spectra of ground surface motions under various levels of motion intensity: (a) horizontal component; (b) vertical component

(a) (b)

0

3

6

9

12

0.01 0.1 1 10

Period (s)

Spe

ctra

l acc

eler

atio

n (m

/s/s

)

Level 1

Level 2

Level 3

Vertical motion

0

3

6

9

12

0.01 0.1 1 10

Period (s)

Spe

ctra

l acc

eler

atio

n (m

/s/s

)Level 1

Level 2

Level 3

Horizontal motion

Page 27: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

Figure 6. Influence of the intensity of input motion on the response spectral ratio between vertical and horizontal surface motions (V/H)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0.01 0.1 1 10

Period (s)

Spe

ctra

l rat

io (V

/H)

Level 1

Level 2

Level 3

2/3

Page 28: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4

Peak acceleration (m/s/s)

Dep

th (m

)

Level 1

Level 2

Level 3

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4

Peak acceleration (m/s/s)

Dep

th (m

)

Level 1

Level 2

Level 3

Figure 7. Influence of the intensity of input motion on distributions of peak accelerations with depth: (a) horizontal component; (b) vertical component

(a) (b)

Page 29: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

0

5

10

15

20

25

30

0 0.006 0.012

Peak normal strain (%)

Dep

th (m

)

Level 1

Level 2

Level 3

0

5

10

15

20

25

30

0 40 80

Peak normal stress (kPa)

Dep

th (m

)

Level 1

Level 2

Level 3

0

5

10

15

20

25

30

0 0.06 0.12

Peak shear strain (%)

Dep

th (m

)

Level 1

Level 2

Level 3

0

5

10

15

20

25

30

0 40 80

Peak shear stress (kPa)

Dep

th (m

)

Level 1

Level 2

Level 3

Figure 8. Influence of the intensity of input motion on distributions of stresses and strains with depth: (a) peak shear stress; (b) peak shear strain; (c) peak normal stress; (d) peak normal strain

(a) (c)(b) (d)

Page 30: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

Figure 9. Influence of the intensity of input motion on distributions of degraded moduli and damping with depth: (a) shear modulus; (b) constrained modulus; (c) damping ratio

(a) (b)

0

5

10

15

20

25

30

0 8 16

ζ (%)

Dep

th (m

)

Level 1

Level 2

Level 3

0

5

10

15

20

25

30

0 4000 8000

Ec (MPa)

Dep

th (m

)

Level 1

Level 2

Level 3

0

5

10

15

20

25

30

0 150 300

G (MPa)

Dep

th (m

)Level 1

Level 2

Level 3

(c)

Page 31: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

0

3

6

9

12

0.01 0.1 1 10

Period (s)

Spe

ctra

l acc

eler

atio

n (m

/s/s

)

Bedrock

Outcropping

0

3

6

9

12

0.01 0.1 1 10

Period (s)

Spe

ctra

l acc

eler

atio

n (m

/s/s

)

Bedrock

Outcropping

Figure 10. Influence of input motion position on the response spectra of ground surface motions: (a) horizontal component; (b) vertical component

(a) (b)

5% damping5% damping

Page 32: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

Figure 11. Influence of input motion position on distributions of peak accelerations with depth: (a) horizontal component; (b) vertical component

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4

Peak acceleration (m/s/s)

Dep

th (m

)

Bedrock

Outcropping

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4

Peak acceleration (m/s/s)

Dep

th (m

)

Bedrock

Outcropping

(a) (b)

Page 33: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

0

5

10

15

20

25

30

0 0.008 0.016

Peak normal strain (%)

Dep

th (m

)

Bedrock

Outcropping

0

5

10

15

20

25

30

0 50 100

Peak normal stress (kPa)

Dep

th (m

)

Bedrock

Outcropping

0

5

10

15

20

25

30

0 0.06 0.12

Peak shear strain (%)

Dep

th (m

)

Bedrock

Outcropping

0

5

10

15

20

25

30

0 50 100

Peak shear stress (kPa)D

epth

(m)

Bedrock

Outcropping

Figure 12. Influence of input motion position on distributions of stresses and strains with depth: (a) peak shear stress; (b) peak shear strain; (c) peak normal stress; (d) peak normal strain

(a) (c)(b) (d)

Page 34: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

0

5

10

15

20

25

30

0 0.5 1G/G0

Dep

th (m

)

Bedrock

Outcropping

0

5

10

15

20

25

30

0 8 16ζ (%)

Dep

th (m

)

Bedrock

Outcropping

Figure 13. Influence of input motion position on distributions of (a) shear modulus reduction and (b) damping ratio

(a) (b)

Page 35: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

Figure 14. Influence of input motion position on the response spectral ratio between vertical and horizontal surface motions (V/H)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0.01 0.1 1 10

Period (s)

Spe

ctra

l rat

io (V

/H)

Bedrock

Outcropping

2/3

5% damping

Page 36: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

0

5

10

15

20

25

30

35

0 1000 2000

Dep

th (m

)

Vs

Vp

Velocity (m/s)

0

5

10

15

20

25

30

35

0 1000 2000

Dep

th (m

)

Vs

Vp

Velocity (m/s)

0

5

10

15

20

25

30

35

0 1000 2000

Dep

th (m

)

Vs

Vp

Velocity (m/s)

Figure 15. Three cases of water levels under investigation: (a) WL=0 m; (b) WL=5 m; (c) WL=10 m

(a) (c)(b)

Page 37: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

-2

0

2

0 5 10 15 20

Time (s)

Acc

eler

atio

n (m

/s/s

)

-2

0

2

0 5 10 15 20

Time (s)

Acc

eler

atio

n (m

/s/s

)

-2

0

2

0 5 10 15 20

Time (s)

Acc

eler

atio

n (m

/s/s

)

WL=0 m

WL=5 m

WL=10 m

Figure 16. Vertical ground surface accelerations under various water levels: (a) WL=0 m; (b) WL=5 m; (c) WL=10 m

(a)

(b)

(c)

Page 38: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25Frequency (Hz)

Spe

ctra

l rat

io

WL=0m

WL=5m

WL=10m

Figure 17. Influence of water level on vertical ground motion: (a) surface response spectra; (b) transfer function (surface-to-base)

0

3

6

9

12

0.01 0.1 1 10

Period (s)

Spe

ctra

l acc

eler

atio

n (m

/s/s

)WL=0m

WL=5m

WL=10m

(a) (b)

5% damping

Page 39: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

Figure 18. Influence of water level on the response spectral ratio between vertical and horizontal surface motions (V/H)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0.01 0.1 1 10

Period (s)

Spe

ctra

l rat

io (V

/H)

WL=0m

WL=5m

WL=10m

2/3

5% damping

Page 40: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4

Peak acceleration (m/s/s)

Dep

th (m

)

WL=0m

WL=5m

WL=10m

0

5

10

15

20

25

30

0 0.05 0.1

Peak velocity (m/s)

Dep

th (m

)

WL=0m

WL=5m

WL=10m

Figure 19. Influence of water level on distributions of (a) peak vertical acceleration and (b) peak vertical velocity

(a) (b)

Page 41: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

0

3

6

9

12

0.01 0.1 1 10

Period (s)

Spe

ctra

l acc

eler

atio

n (m

/s/s

)

ζv=0.5ζh

ζv=ζh

ζv=2ζh

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20 25

Frequency (Hz)

Spe

ctra

l rat

io

ζv=0.5ζh

ζv=ζh

ζv=2ζh

(a) (b)

Figure 20. Influence of damping ratio on vertical ground motion: (a) surface response spectra; (b) transfer function (surface-to-base)

5% damping

Page 42: Factors Affecting Site Response to Multi directional ...hub.hku.hk/bitstream/10722/123978/2/Content.pdf · 1 Factors Affecting Site Response to Multi ... soil damping; soil nonlinearity

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0.01 0.1 1 10Period (s)

Spe

ctra

l rat

io (V

/H)

ζv=0.5ζh

ζv=ζh

ζv=2ζh

2/3

Figure 21. Influence of damping ratio on the response spectral ratio between vertical and horizontal surface motions (V/H)

5% damping