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ISBN 978-607-95506-1-5

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SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

MESA DIRECTIVA

Juan de Dios Alemán VelásquezPresidente

Juan Paulín AguirreVicepresidente

Raúl Aguilar BecerrilSecretario

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Vocales

Alexandra Ossa LópezEditora

COMITÉ ORGANIZADOR XXVI RNMSeIG

Norma Patricia López Acosta (Presidente)

Claudia Marcela González Blandón

César Dumas González

Eduardo Botero Jaramillo

Juan Paulín Aguirre

Carlos Roberto Torres Álvarez

Dora Carreón Freyre

Martín Ramírez Reynaga

Mario Abelardo Sánchez Solís

Natalia del Pilar Parra Piedrahita

Simplified methods in Soil Dynamics vProfessor Ricardo Dobry XXI Nabor Carrillo Lecture

Simplified methods in Soil Dynamics

Contents

PREFACIO vi

PREFACE vi

SEMBLANZA DEL PROFESOR RICARDO DOBRYVIGÉSIMO PRIMER CONFERENCISTA NABOR CARRILLO vii

PORTRAIT OF PROFESSOR RICARDO DOBRYTWENTY-FIRST NABOR CARRILLO LECTURER xi

RESUMEN 1

ABSTRACT 2

1. INTRODUCTION 3

2. THE NEED FOR SIMPLIFIED METHODS 6

3. THE MACHINE FOUNDATION PROBLEM 93.1 VERTICAL VIBRATION OF RIGID MASS 3.2 HORIZONTAL VIBRATION

3.3 SIMPLIFIED SYSTEMS FOR DESIGN AND EQUIVALENT CIRCLE 3.4 VISCOUS DASHPOTS AND RADIATION DAMPING 3.5 VERTICAL RADIATION DASHPOT FOR EMBEDDED FOUNDATION 3.6 VERTICAL STATIC SPRING FOR EMBEDDED FOUNDATION 3.7 EMBEDMENT AND DYNAMIC RESPONSE

4. EQUIVALENT SPRINGS AND DASHPOTS FOR NONCIRCULAR SHAPES 27 4.1 GENERAL PROBLEM FORMULATION 4.2 VERTICAL SPRING FOR SURFACE FOUNDATION 4.3 VERTICAL AND HORIZONTAL RADIATION DASHPOTS 4.4 TORSIONAL AND ROCKING RADIATION DASHPOTS 4.5 SIMPLIFIED SYSTEMS INCLUDING EMBEDMENT

5. EFFECT OF INTERNAL SOIL DAMPING 41

6. FINAL COMMENTS 41

ACKNOWLEDGMENTS 43

REFERENCES 44

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PREFACIO

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Simplified methods in Soil Dynamics viiProfessor Ricardo Dobry XXI Nabor Carrillo Lecture

SEMBLANZA DEL PROFESOR RICARDO DOBRYVIGÉSIMO PRIMER CONFERENCISTA NABOR CARRILLO

Raúl Aguilar Becerril

Profesor Manuel Romana

Es sin duda Nabor Carrillo uno de los pilares de la ingeniería geotécnica en México. Su habilidad para identificar lo esencial de los problemas geotécnicos y el análisis matemático de los mismos, lo llevaron a demostrar las causas del hundimiento de la Ciudad de México. Estudió también el hundimiento de la ciudad de Long Beach a través de su teoría de los centros de tensión. Realizó importantes contribuciones al comportamiento de suelos anisotrópos y a la conceptualización del proyecto Texcoco. Amigo de Arthur Casagrande, así como de Karl Terzaghi y Harold Westergaard, Nabor Carrillo logró posicionar a México como un referente en el desarrollo de la mecánica de suelos teórica y aplicada.

Además de su gran trayectoria en el área de la ingeniería geotécnica, Nabor Carrillo fue también Coordinador de la Investigación Científica en 1944, Rector de la Universidad Nacional de México en 1953, merecedor al Premio Nacional de Ciencias en 1957, representante de México ante la Organización de las Naciones Unidas (ONU), la de Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO) y el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA). Recibió condecoraciones y doctorados Honoris Causa de varios países.

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En 1972, por iniciativa del Profesor Raúl J. Marsal, la entonces Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos rindió homenaje al Doctor Carrillo, institucionalizando la conferencia que actualmente lleva su nombre.

Dentro del marco de nuestras reuniones nacionales, la Conferencia Nabor Carrillo es ahora una tradición para nuestra Sociedad Geotécnica. Con ella, además de rendir homenaje a tan ilustre ingeniero mexicano, se reconoce la trayectoria de destacados profesionales, nacionales e internacionales, en el área de la Mecánica de Suelos y la Ingeniería Geotécnica. Así como la Conferencia Rankine en Inglaterra o la Conferencia Terzaghi en Estados Unidos de Noretamérica, la Nabor Carrillo es la Conferencia de mayor prestigio en el ámbito de la Ingeniería Geotécnica en México.

Arthur Casagrande, Ralph Peck, Árpád Kézdi, John Lowe III, Raúl Marsal, Alfred Hendron, Leonardo Zeevaert, Bolton Seed, Engelbert Leeuw, José Antonio Jiménez, Enrique Tamez, Robert Gillham, Daniel Reséndiz, Alfonso Rico, Robert Whitman, Gabriel Auvinet, James Mitchell, Jesús Alberro, Fumio Tatsuoka y Enrique Santoyo, han sido los 20 Conferencistas Nabor Carrillo. Todos ellos de gran trayectoria y reconocimiento profesional. Corresponde ahora dictar la vigésima primera Conferencia al distinguido Profesor Ricardo Dobry, que además de su reconocido prestigio y trayectoria, destaca por su sencillez y calidad humana.

Ricardo Dobry nació el 7 de diciembre de 1937 en Santiago de Chile. En 1962 obtuvo el grado de Ingeniero Civil en Estructuras por la Universidad de Chile. Realizó su tesis sobre exploración geofísica de las gravas de Santiago bajo la dirección del Profesor Arturo Arias. Posteriormente ingresó a la División de Estudios de Posgrado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), recibiendo en 1964 su grado de Maestro en Ingeniería en el área de la Mecánica de Suelos. Su tema de tesis fue la licuación de arenas ante sismos bajo la dirección del décimo primer conferencista Nabor Carrillo, el Profesor Enrique Tamez. Después de laborar algunos años en el Instituto de Investigación y Ensayes de Materiales de la Universidad de Chile, en Concepción (IDIEM), inició sus estudios de doctorado en el Instituto Tecnológico de Massachusets (MIT) en los Estados Unidos de Norteamérica (EU). Recibió el grado de Doctor en 1971, desarrollando su tesis sobre las propiedades dinámicas del suelo y la amplificación sísmica de sitio bajo la dirección del décimo quinto conferencista Nabor Carrillo, el Profesor Robert V. Whitman.

Entre 1971 y 1977 vivió en Chile y en EU, laborando para el IDIEM en Santiago y para la firma Woodward-Clyde Consultants en San Francisco, California. Durante este periodo se involucró con la docencia y la investigación, al mismo tiempo que participaba activamente en la ingeniería práctica y la consultoría. En 1977 ingresó a la Facultad de Ingeniería Civil del Instituto Politécnico de Rensselaer (RPI), en Nueva York, donde ha permanecido desde entonces y es actualmente Profesor Institucional.

Entre sus mayores contribuciones como investigador y consultor en Chile y en EU durante el periodo de 1964 a 1977 se incluyen: la microzonificación sísmica de la ciudad de Concepción; la

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creación del laboratorio de mecánica de suelos del IDIEM en la misma ciudad; las investigaciones que explican aspectos importantes del papel que desempeña el amortiguamiento interno del suelo en la respuesta dinámica del terreno y de los sistemas de interacción suelo-estructura; el estudio de las fallas de presas de jales durante el temblor Central de Chile en 1965; el estudio de los efectos locales de sitio durante el sismo de Caracas, Venezuela, en 1967; la coordinación principal de la creación del programa de Maestría en Mecánica de Suelos en la Universidad de Chile en 1973, siendo la primera en su tipo en la Escuela de Ingeniería; además de un gran número de proyectos relacionados con plantas nucleares y plataformas petroleras costa afuera. Fue en esta etapa, en Woodward Clyde Consultants donde, junto con el Dr. Idriss, concluyó que la deformación cíclica era un mejor parámetro que los esfuerzos cortantes cíclicos para describir la degradación de arcillas sujetas a carga dinámica, idea que más tarde él extendió a las arenas, proponiendo un método basado en las deformaciones cíclicas para caracterizar la licuación de arenas durante sismos.

Las líneas de investigación del Dr. Dobry se han dirigido hacia la dinámica de suelos, la ingeniería geotécnica sísmica y los ensayes dinámicos geotécnicos en centrífuga. En los años 80´s colaboró con el Profesor George Gazetas en la creación de una nueva generación de métodos simplificados para el análisis de cimentaciones para maquinaria, y otros relacionados con sistemas dinámicos de interacción suelo-estructura. Algunos de estos métodos se han adoptado para el Manual de Diseño por Sismo de la Comisión Federal de Electricidad, en México. Sus ensayes con modelos en centrífuga los inició en los años 90´s con objeto de estudiar la licuación de arenas durante sismos, tanto en campo libre como sus efectos en cimentaciones superficiales y profundas. Formó parte del grupo autor de las nuevas recomendaciones sísmicas sobre amplificación local de sitio en los años 90´s, ahora incorporadas a la reglamentación para edificios y puentes en EU. Es también uno de los autores del plan de investigación visionario a 20 años en ingeniería sísmica, preparado en el año 2003 por el Instituto de Investigación de Ingeniería Sísmica (EERI) para la Fundación Nacional de Ciencias (NSF). Desde el año 2000 ha dirigido el sitio experimental geotécnico con centrífuga de Rensselaer, perteneciente a la Red de Simulación de Ingeniería Sísmica (NEES). El sitio es uno de los 15 nodos experimentales interconectados, creados por la Fundación de Ciencias para revolucionar la investigación en ingeniería sísmica en EU. Ha escrito más de 200 artículos técnicos y reportes de investigación y ha dirigido 40 tesis de Maestría y Doctorado.

El Dr. Dobry ha participado como consultor y formado parte de grupos de consultoría en proyectos de ingeniería civil, incluyendo plataformas petroleras en Venezuela y Australia, presas y diques en California, Puerto Rico y Sudamérica; espectros de diseño sísmico de piso para la ampliación del Aeropuerto de La Guardia en Nueva York; la reestructuración sísmica de grandes puentes y las bases de diseño sísmico para estas estructuras en la ciudad de Nueva York; así como el diseño del puente Rion-Antirion en Grecia, con un sistema de cimentación original, que en el año 2005 fue reconocido como el Proyecto Excepcional de Ingeniería Civil por la ASCE, recibiendo también el reconocimiento al Proyecto Extraordinario en el año 2007 por el Instituto de Cimentaciones Profundas de EU.

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El Profesor Dobry ha sido invitado como conferencista de estados del arte y conferencias principales en reuniones nacionales e internacionales en los EU, México, Sudamérica, Europa, Japón y Australia, incluyendo la 3er Conferencia Ishihara presentada durante el 5° Congreso Internacional de Ingeniería Geotécnica Sísmica, en enero de 2011. Ha sido invitado a presentar distinguidas conferencias en varias universidades de EU. Obtuvo la medalla J. James Croes de la ASCE en 1985. Fue electo como miembro de la Academia Nacional de Ingeniería de EU en 2004, por sus contribuciones fundamentales en múltiples aspectos de la ingeniería geotécnica sísmica. Recientemente presentó la Conferencia Burmister en la Universidad de Columbia, la Conferencia Schiffman en la Universidad de Cornell y, en esta ocasión, presentará nuestra Conferencia Nabor Carrillo.

Profesor Ricardo Dobry, es un privilegio que sea usted nuestro vigésimo primer Conferencista Nabor Carrillo.

Cancún, Quintana RooNoviembre, 2012

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Simplified methods in Soil Dynamics xiProfessor Ricardo Dobry XXI Nabor Carrillo Lecture

PORTRAIT OF PROFESOR RICARDO DOBRYTWENTY-FIRST NABOR CARRILLO LECTURER

Raúl Aguilar Becerril

Undoubtedly Nabor Carrillo is one of the pillars of geotechnical engineering in Mexico. His ability to understand the essential aspects of a geotechnical problem and associated mathematical analysis, allowed him to explain the origin of the ground surface subsidence in Mexico City. He also studied the subsidence of Long Beach in the United States of America (USA) using his theory of tension centers. He made significant contributions to the understanding of anisotropic soil behavior and to the conceptual basis of the Texcoco project. Friend of Arthur Casagrande, Karl Terzaghi and Harold Westergaard, Nabor Carrillo placed Mexico on the map in the world of theoretical and applied soil mechanics.

In addition to his great contributions to geotechnical engineering, in 1944 Nabor Carrillo was National Coordinator of Scientific Research, in 1953 he became President of the National University of Mexico (UNAM), in 1957 he earned the National Science Award, and he was also representative of Mexico to the United Nations (UN), to the United Nations, Educational, Scientific and Cultural Organization (UNESCO), and to the International Atomic Energy Agency (IAEA). He received awards and Honorary PhD´s from several countries.

In 1972, after a proposal by Professor Raul J. Marsal, the then named Mexican Society of Soil Mechanics organized the first Nabor Carrillo Lecture in his honor.

The Nabor Carrillo Lecture is now a tradition in our Geotechnical Society, being presented every two years within the framework of our national meetings. In addition to remembering our distinguished Mexican engineer, the Lecture recognizes the valuable contributions of prominent national and international professionals in the field of Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Similar to the Rankine Lecture in England and the Terzaghi Lecture in the USA, the Nabor Carrillo is the most prestigious Geotechnical Engineering Lecture in Mexico.

Arthur Casagrande, Ralph Peck, Árpád Kézdi, Johne Lowe III, Raúl Marsal, Alfred Hendron, Leonardo Zeevaert, Bolton Seed, Engelbert Leeuw, José Antonio Jiménez, Enrique Tamez, Robert Gillham, Daniel Reséndiz, Alfonso Rico, Robert Whitman, Gabriel Auvinet, James Mitchell, Jesús Alberro, Fumio Tatsuoka and Enrique Santoyo, have been the 20 Nabor Carrillo Lecturers. All of them of great experience and professional recognition. It is now the turn of Professor Ricardo Dobry, our twenty-first Nabor Carrillo lecturer, who besides his distinguished career and prestige, is a great person.

Ricardo Dobry was born in December 7, 1937 in Santiago, Chile. He received his Civil Engineer’s Degree in Structures from the University of Chile in Santiago in 1962, with a thesis on geophysical exploration of the Santiago gravels under the direction of Professor Arturo Arias.

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He pursued graduate studies at the Engineering Faculty of the UNAM, in Mexico City, receiving in 1964 his Master of Engineering in Soil Mechanics with a thesis on earthquake sand liquefaction under the direction of Professor Enrique Tamez, eleventh Nabor Carrillo Lecturer. After working for several years at the Institute for Research and Testing of Materials of the University of Chile in Concepcion (IDIEM), he pursued his doctoral studies at Massachusetts Institute of Technology (MIT) in the USA. He received his degree in 1971 with a thesis on soil dynamic properties and earthquake site amplification, under the direction of Professor Robert V. Whitman, fifteenth Nabor Carrillo Lecturer,

In 1971-77 he lived in Chile (IDIEM, Santiago) and in the USA (Woodward-Clyde Consultants, San Francisco, California), involved first in teaching and research, and then increasingly in engineering and consulting. In 1977 he joined the Civil Engineering Faculty at Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), where he has been since and where he now holds a Chair as an Institute Professor.

Some research and consulting activities in Chile and the USA in the period 1964-1977 of which he is most proud include: seismic microzonation of the city of Concepcion; creation of the soil mechanics laboratory of IDIEM in Concepcion; clarification of important aspects of the role of the soil internal soil damping in the dynamic response of soil and soil-structure systems; study of the tailings dam failures in the 1965 Central Chile earthquake; participation in the study of local site effects during the 1967 Caracas, Venezuela earthquake; leading participation in the creation of the Soil Mechanics Master’s program at the University of Chile in 1973, the first of its kind in the School of Engineering; and a number of projects related to nuclear power plants and offshore oil platforms during his stay at Woodward Clyde Consultants in the USA. It was at Woodward-Clyde Consultants where, together with Dr. Idriss, he concluded that cyclic shear strain was a better parameter than cyclic shear stress to describe the stiffness degradation of clays during cyclic loading, idea that he later extended to the cyclic strain approach to sand liquefaction during earthquakes.

Ricardo Dobry’s research interests include soil dynamics, geotechnical earthquake engineering and geotechnical dynamic centrifuge testing. In the 1980’s, he collaborated with Professor George Gazetas in developing a new generation of simplified methods for the analysis of machine foundations and other related dynamic soil-structure interaction systems. His work with centrifuge modeling starting in the early 1990’s focused on sand liquefaction during earthquakes, both in the free field and its effects on shallow and deep foundations. He was a member of the group that wrote the new seismic provisions on local site amplification in the 1990’s now incorporated in USA building and bridge codes. He is one of the authors of the visionary 20-year research plan in earthquake engineering prepared in 2003 by the Earthquake Engineering Research Institute (EERI) for the National Science Foundation (NSF). Since 2000 he has directed the Rensselaer geotechnical centrifuge experimental site of the Network for Earthquake Engineering Simulation (NEES), one of 15 interconnected experimental nodes funded by NSF to

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Simplified methods in Soil Dynamics xiiiProfessor Ricardo Dobry XXI Nabor Carrillo Lecture

revolutionize earthquake engineering research in the USA. He has written more than 200 technical papers and research reports and has directed 40 PhD and Master’s theses.

Dr. Dobry has served as consultant and member of a number of consulting boards of civil engineering projects, including offshore oil platforms in Venezuela and Australia, earth dams and dikes in California, Puerto Rico and South America, seismic design baseline spectra for the expansion of the La Guardia Airport in New York City, seismic retrofitting of several large bridges and seismic guidelines for design of new bridges in New York City, and design of the Rion-Antirion bridge in Greece. This bridge has a very novel foundation system and in 2005 was named Outstanding Civil Engineering Achievement of the year by the American Society of Civil Engineers; it also received the Outstanding Project Award in 2007 from the Deep Foundations Institute of the USA. Dobry has been an invited state-of-the-art and keynote speaker at national and international meetings in the USA, Mexico, South America, Europe, Japan and Australia, including the 3d Ishihara Lecture presented at the 5th International Conference on Earthquake Geotechnical Engineering in January 2011. He has presented invited distinguished lectures at a number of universities in the United States. He earned the J. James Croes Medal of the American Society of Civil Engineers (ASCE) in 1985, and was elected member of the USA National Academy of Engineering in 2004. The citation for his induction at the Academy of Engineering reads: “for fundamental contributions to multiple aspects of geotechnical earthquake engineering”. Recently presented the Burmister Lecture at the University of Columbia, the Schiffman Lecture at Cornell University and today the Nabor Carrillo Lecture.

Professor Ricardo Dobry, it is a privilege you accepted being our twenty-first Nabor Carrillo lecturer.

Cancún, Quintana RooNovember, 2012

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