Soil-structure interaction uncertainties and their effects on the development of building vulnerability functions in subsidence regions

Ali Saeidi, Alain Rouleau, Olivier Deck, Thierry Verdel

In the proceedings of: GeoRegina 2014: 67th Canadian Geotechnical Conference

Session: Infrastructure

ABSTRACT: The extraction of ore and minerals by underground mining or other underground workings often cause ground subsidence phenomena. In urban regions, these phenomena may induce small to severe damage to buildings. We have developed vulnerability functions for determining damage to building in subsidence regions. The methodology uses Monte Carlo simulations, and existing analytical methods based on the beam theory for the evaluation of damage in the subsidence area. It allows taking into account uncertainties both on the geometrical and mechanical parameters of buildings, and on the phenomena of soil structure interaction for analytical methods. This paper focuses on uncertainties on soil-structure interaction. The determination of damage with analytical methods requires values of the horizontal strain and the deflection transmitted to buildings. But the available geotechnical parameters are the horizontal ground strain and the ground curvature; soil structure interaction parameters are then required to determine how these geotechnical strains are transmitted to buildings. The value of these later parameters are dependent on several factors, such as the soil and the building rigidity, the building type, the mine or tunnel depth, the localisation of building in a subsidence basin. All of these factors increase the uncertainties in building vulnerability functions, and must be considered in the development of these functions. We observed that low values of ground curvature coefficient (K) lead to a flattening of the vulnerability curve (low vulnerability), and that low values of horizontal strain soil-structure interaction coefficient (Ke) lead to a shift of the vulnerability curve to the right (reduced vulnerability). Finally, it also appears that the building vulnerability curves are more sensitive to K values than to Ke values. RÉSUMÉ L'extraction du minerai et des minéraux par l'exploitation minière souterraine ou d'autres travaux souterrains provoquent souvent des phénomènes d'affaissement du terrain. Dans les régions urbaines, ces phénomènes peuvent induire petit à de graves dommages aux bâtiments. Nous avons développé des fonctions de vulnérabilité pour déterminer les dommages aux bâtiments dans les zone d'affaissement minier. La méthode utilise des simulations de Monte Carlo, et les méthodes d'analyse existantes basées sur la théorie de la poutre pour l'évaluation des dommages dans la zone de subsidence. Ceci permet de prendre en compte les incertitudes à la fois sur les paramètres géométriques et mécaniques des bâtiments, et sur les phénomènes d'interaction entre le sol et une structure. Ce document met l'accent sur les incertitudes sur les paramètres d'interaction sol-structure . La détermination des dommages avec les méthodes analytique requiert des valeurs de la déformation horizontale et de la déflection transmises aux bâtiments. Mais les paramètres géotechniques disponibles sont la déformation horizontale et la courbure du terrain. Des paramètres d'interaction sol-structure sont alors nécessaires pour déterminer comment ces déformations des sols vont être transmises aux bâtiments. La valeur de ces paramètres dépend de plusieurs facteurs, tels que la rigidité du sol et de la construction, le type de bâtiment, la profondeur de la mine ou du tunnel, la localisation de la construction dans la zone d'affaissement. Tous ces facteurs augmentent les incertitudes dans la construction de fonctions de vulnérabilité et ils doivent être pris en compte dans le développement de ces fonctions . Nous avons observé que de faibles valeurs du coefficient de courbure du terrain (K) conduisent à un aplatissement de la courbe de vulnérabilité (faible vulnérabilité), et que les faibles valeurs du coefficient de déformation horizontale (Ke) conduisent à un déplacement de la courbe de la vulnérabilité vers la droite (réduction de la vulnérabilité). Enfin, il apparaît aussi que les courbes de vulnérabilité des bâtiments sont plus sensibles aux valeurs de K qu'à celles de Ke. 1 INTRODUCTION Ore and mineral extraction via underground mining may induce ground subsidence phenomena. These phenomena lead to horizontal and vertical ground movements, which consequently lead to deformations and damage in buildings of undermined urban regions (Figure 1). The maximum vertical displacement occurs in the centre of the subsidence area and may reach several meters. This displacement is accompanied by horizontal ground strains, ground curvature, and slope, the three types of movement that load structures and cause structural damage (Saeidi et al. 2013). Figure 1 described the main dimensions and characteristics of a mining subsidence for a longwall mine. Depending on the subsidence kinetic, location of buildings in a subsidence is time dependent. A building may be in the traction and hogging area when the subsidence starts and be in the compression and sagging area when the

RÉSUMÉ: structure interaction uncertainties and their

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Ali Saeidi; Alain Rouleau; Olivier Deck; Thierry Verdel (2014) Soil-structure interaction uncertainties and their effects on the development of building vulnerability functions in subsidence regions in GEO2014. Ottawa, Ontario: Canadian Geotechnical Society.

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