ctions of Life - Red Sísmica de Puerto Rico

Design of Tsunami Vertical
Evacuations Structures in Puerto
Rico
Puerto Rico Tsunami Resilient Planning and Construction
Practices:
May 18-20, 2012
Presented by:
Rafael Jimenez-Perez, PhD, PE
RJA Engineers, PSC
Introduction
• Review Design
Procedures for Vertical
Evacuation Structures
for Tsunamis (TVES).
• Review FEMA, ASCE 7
and other publications
Guidelines.
• Select Site and Assess
Tsunami Design
Parameters.
• Perform Load
Calculations for
selected site.
– Site Selection
– Parameter Definition
– Determination of forces
induced by Tsunami
FEMA P646
ASCE 7-05
Background
• Tsunami Protection is
required in seismic
prone areas and in
zones subject to marine
landslides.
• Protection has been
typically provided by
hydraulic structures
placed near the
shoreline.
Historical Background
• More than 50 tsunamis have
occurred in the Caribbean
area.
• Oct. 11, 1918- 40 deaths
caused on the western coast
of PR. 20 feet (6.1 mts) high.
• Nov. 18, 1867-12 deaths on
the island of St. Thomas and
St. Croix. : 4.5 to 6.1 mts high.
• June 7, 1692- 2,000 deaths in
Jamaica due to landslide
caused by 7.5Mw Earthquake.
• References:
• “A Brief History of Tsunamis in
the Caribbean Sea”, by Lander,
Whiteside and Lockridge,
published in Science of
Tsunami Hazards, Vol. 20, No.
1, 2002.
• “US States and Territories
National Tsunami Hazard
Assessment: Historical Record
and Sources of Waves“, by
Dunbar and Weaver, August
2008, .
Historical Facts
• Lander, Whiteside and Lockridge:
– Documents 91 tsunamis of which 27 are
considered true and 9 are considered likely true.
– Remaining events could not be verified or are
associated with storm surges.
– In the Caribbean Sea, travel times from tsunamis
to coastlines range between 30 to 60 minutes.
• Dunbar and Weaver:
– Qualitative Tsunami Hazards for Puerto Rico and
US Virgin Islands based on NGDC and USGS:
• High hazard to runups
• High hazard based on frequencies
• High Hazard base on local earthquake
Historical Facts
• :
Tsunami Observed Runup
Undertermined Runup
Runup < 0.5m
Runup < 1.0m
Runup < 3.0m
Runup> 3.0 m
Total
Puerto Rico
9
1
3
2
2
1
33
US Virgin Islands
7
2
1
1
1
2
15
Table 2.1 from Dunbar and Weaver
PR and VI Totals
16
3
4
3
3
3
48
Dunbar and Weaver
Travel Times Nov. 1, 1755 Lisbon
Earthquake
Dunbar and Weaver
Travel Times
• Caribbean
– Tsunami travel time
ranges from 30 to
60 minutes.
Site Selection
• Guanajibo Ward in Mayaguez, PR on PR-102.
Site Selection
Schematic Building
Site Analysis
• Topography:
– Flat with elevations varying between 3 and 5 feet.
– Terrain sloping to the East.
• Area:
– 120 meters wide by 220 meters deep.
– 30,800 square meters.
• Minimum size for 2,000 people=20,000 square feet.
• Building Section:
– Ground Elevation – 10’,
– Ground to Second Floor Height = 20’
– Third Floors at 10-0” heights=40 feet
• Incoming Velocity of water=20 ft/sec=13.6 mph.
• Runup=20 feet.
Loads
• Dead
– Self Weight of the Structure
• Live
– Assembly. Use 100 psf.
• Earthquake Loads: PR Building Code 2011
– Adopts IBC 2009
– Mayaguez has Sd=1.18g and S1=0.31g
– Seismic Design Category D
Tsunami Loads
Hydrostatic Forces
Buoyant Forces
Hydrodynamic Forces
Impulsive Forces
Debris Impact Forces
Debris Impact Velocity
Impulsive Forces
Dam Effects
Buoyant Force
Water Drawdown
Load Combinations
• U=1.2*D+1.0*Ts+1.0*Lref+0.25*L
• U=0.9*D+1.0*Ts
Sample Calculations
Hydrostatic Forces
•
•
•
•
•
Fh=1/2*(77)*hmax^2
If hmax=20*1.3-10=16 ft
Then Fh=1/2*77*16^2
Fh=9,856 lbs/ft.
Fh=9.9 Kips/ft of wall.
Hydrostatic Forces
• Fh=9,856 lbs/ft.
• Breakaway walls
connections to the
structure should be
designed for 10 psf so
that they do not exert
any hydrostatic
resistance.
Buoyant Forces
•
•
•
•
Fb=77*Vw
Vw=A*16
Fb/A =77*16
Fb/A= 1,232 psf
• Factor of Safety for
Buoyancy varies
between 1.1 to
1.5.Where A is the
building footprint
Hydrodynamic Forces
Hydrodynamic Forces
Hydrodynamic Forces
• (hu2)max=1,107 cf/sec^2
• Fd=1/2*77*2*1,107
• Fd= 85.24 Kips/ft of wall
• Compare with ASCE 7-05
• Ft=37.9 k/ft of wall,
ASCE 7-05
Impulsive Forces
Debris Impact Forces
Debris Impact Forces
• Umax=(2*g*R(1-z/R))^0.5
• Umax= 32.1 ft/sec
• Unknown values of
debris stiffness
parameters.
Debris Impact Forces
Buoyancy
THE END
Questions?
Martinez
•
•
Estuve leyendo sobre las velocidades del tsunami que fueron registrada en el Tsunami del 11 de marzo en Japón. Estas variaron mayormente entre 5
y 8 m/s (16.4 a 26.2 ft/s) pero dice que en ocuasiones llegó hasta 10 m/s (32.8 ft/s). Lo normal era alrededor de 22 ft/s. Yo te había dicho de utilizar
para diseño 30 ft/s a lo que a ti te pareció un poco alto. Esto está claro que puede suceder pero para ciertas circunstancias especiales como hay
gargantas generadas dentro de la ciudad. De modo que reducirlo a 25 ft/s me parecería bien razonable y del lado conservador. ¿Qué te parece?
En cuanto la altura del tsunami entiendo que hemos estado usando 20 pies lo cual parece razonable para lo que he visto en los mapas de tsunamis
dpara PR de 10 y 12 pies de altura. Sin embargo, me preocupa que en Japón en una tabla de 11 maremotos con la altura máxima de la ola, la máxima
más pequeña es de 5 metros. Anyway, hay quebregar con lo que hay.
Muchas gracias por tu email. Disculpa que no te haya contestado antes. Estoy en Vieques bregando el proyecto de Tsunami Ready y la Internet en el
Guest House tiene mala señal y por ende no había cotejado los emails.
Te cuento que había separado 1 hora 45 minutos para ti. Sin embargo, tengo tiempo adicional que te puedo facilitar. Por lo que veo necesitas media
hora adicional lo cual te la puedo bringar sin ningún problema.
Veo que has incluido los temas de combinaciones de carga y colapso progresivo. Esos dos temas se lo he asignado a Pepe Izquierdo.
Por ahora te voy a poner una charla de 75 minutos a primera hora el miércoles 20. Luego vendrá el Coffe Break de 15 minutos y entonces te doy una
hora para que des el ejemplo. Quizás lo más sabio sería que también des el tema de Combinaciones de carga. Sin embargo, el tema de colapso
progresivo entiendo que puede hacerse totalmente independiente y ese se lo dejamos a Pepe. ¿te parece bien?
Por otro lado, sería bueno que se utilizara una estructura similar a la que luce como un faro, que hicieron los japoneses. Si la Red Sísmica (Aurelio y su
equipo de trabajo) no me dan datos más específicos debemos usar los siguientes datos:
1. Altura máxima de la ola 30 pies o 10 metros.
2. Velocidad del agua a 30 pies/segundo
3. Impacto de un barco de 2 ton a 10 pies por segundo.
4. Capacidad para 2,500 personas (caben 2.5 personas por metro cuadrado)
5. Acceso por Rampa con descansos y escaleras para los más jóvenes.
6. Considerar helipuerto.
7 La estructrua deberá tener usos más allá que para desalojo vertical pues de otra manera será un elefante blanco.Pudieramos considerar que fuera
en Centro Comunitario en la planta bajo. Pudiera tener un mirador en la cima con quizás un buen restaurante...
Veo que piensas usar un caso en Playa Santa. Aunque ahi no es necesario este tipo de estructura pues se toma altura rápidamente es un caso
hipotético para que la gente vea como se hace y no hacerle el trabajo a nadie en particular lo cual me parece prudente. Las comunidades de mayor
población y con riesgo grande son las del Bo. Islote de Arecibo (5,783), Verde Mar en Humacao (2,734) y le sigue el Bo Maní de Mayagüez con 2,490
habitantes. Aunque en mayor riesgo están Guanajibo Homes (682) y Punta Santiago en Humacao (1,982).
Si necesitas algún otro dato adicional por favor déjame saber.
Saludos,
José Antonio
FEMA P646a
ASCE 7-05
Breakaway Walls Loads shall be designed for the largest of the
following loads acting normal to the wall:
Wind Load
Earthquake Load
10 psf
Hydrostatic Forces shall be calculated on DFE plus 1 ft. DFE is the
Elevation of the Design Flood including wave height.