Coupling of topographic and valley effects on seismic ground motion

Γεωργαλάς, Ιωάννης; Georgalas, Ioannis

dc.contributor.author	Γεωργαλάς, Ιωάννης
dc.contributor.author	Georgalas, Ioannis
dc.date.accessioned	2020-11-02T07:55:13Z
dc.date.available	2020-11-02T07:55:13Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51725
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19423
dc.rights	Default License
dc.subject	κοιλάδα	el
dc.subject	τοπογραφία	el
dc.subject	γεωμορφολογική επιδείνωση	el
dc.subject	τοπικές εδαφικές συνθήκες	el
dc.subject	σεισμική απόκριση εδάφους	el
dc.subject	valley	en
dc.subject	topography	el
dc.subject	geomorphic aggravation	el
dc.subject	local site conditions	el
dc.subject	seismic ground response	el
dc.title	Coupling of topographic and valley effects on seismic ground motion	en
dc.title	Σύζευξη φαινομένων τοπογραφίας και κοιλάδας στην σεισμική εδαφική κίνηση	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Εδαφοδυναμική	el
heal.classification	Soil Dynamics	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-06-30
heal.abstract	This thesis concerns the parametric investigation of valley and topographic effects on seismic ground motion, with emphasis on the coupling between the two phenomena. For this purpose, 2D numerical seismic response analyses were performed for uniform, symmetrical, trapezoidal valleys with flat and non-flat outcrops on visco-elastic soil and bedrock with the finite difference method (FLAC, Itasca Inc 2005). All valleys had a width-over-thickness ratio B/H = 10, but different soil and bedrock mechanical properties. The excitations used were vertically incident SV waves with timehistories based on the earthquake recording of the Aigion (1995) earthquake, after appropriate scaling to attain the desired predominant period in the range (common for bedrock excitations) of 0.1 – 0.4sec. Each 2D analysis was supplemented by two 1D ground response analyses under the same excitation: 1D_soil and 1D_rock. In the former, the response of a bedrock column having the soil layer of thickness H at its top was attained, while the latter studied the response of a uniform bedrock column. Care was taken for dense mesh discretization and proper boundary conditions, while Rayleigh damping was introduced, calibrated to provide the desired damping ratio ξ = 5% at the significant frequencies between the predominant frequency of the excitation and the fundamental period of the soil column. In order to determine the aggravation that is due purely to valley and topographic effects, the geomorphic aggravation factors ASah and ASav were estimated for each ground surface location and for the horizontal and the parasitic vertical acceleration, respectively. Namely, for both directions the geomorphic aggravation factor for each structural period T is defined as the ratio of the spectral acceleration value from the 2D analysis over the corresponding spectral value from the appropriate 1D analysis: 1D_soil if the location sits on soil; 1D_rock if the location sits on outcropping rock. At first, the effects of outcropping bedrock topography on seismic valley response were investigated. The parametric study covered 23 valley-bedrock outcrop-excitation combinations and investigated the effects of the predominant period of the excitation Te, the inclination angles of the valley s and the outcropping bedrock i, the outcropping bedrock height Ht and the soil-to-bedrock impedance ratio a. The results from all the analyses for valleys with flat outcrops were compatible with the pertinent results in the literature. Namely, the geomorphic aggravation factors within the valley become more remarkable for structural periods T close to the predominant excitation period Te and increase with increasing inclination angle of the valley s and decreasing impedance ratio a. For valleys with non-flat outcrops it was observed that the geomorphic aggravation spectra ASah and ASav within the valley are affected by the outcropping bedrock height Ht , especially for lowfrequency excitations, but remain practically unaffected by the inclination angle of the outcrops i. Based on the above mentioned analyses, a quantification of the effects of a non-flat outcropping bedrock topography on seismic valley response for T=0s was introduced, i.e. correction factors CFh and CFv were defined at each location as the ratio of ASah(T=0) and ASav(T=0) respectively for the case of the non-flat outcrop over the corresponding ASah(T=0) and ASav(T=0) for the case of the flat outcrop. It was found that the CFh within the valley varied between 0.7 and 1.06, on average, while the average CFv varied between 0.9 and 1.4. Generally, the correction factors CFh and CFv become more significant for higher and steeper outcrops (e.g. Ht=100m, i=45o ), especially for the parasitic vertical acceleration. In the sequel, the opposite problem was examined, i.e. the valley effects on the seismic response of outcropping bedrock. For each case, a comparison was made between 2 models with the same outcropping bedrock geometry under the same excitation: one with an alluvial valley at the base of the topographic relief (valley model) and one with no such valley (no valley model). In the majority of the cases, the valley decreased ASah and increased ASav at the outcropping bedrock, regardless of the outcropping bedrock height Ht and the inclination angles of the valley s and the outcrops i. It should be noted that for structural periods T > 1s, the valley effects become negligible. Moreover, a quantification of the effects due to the existence of a valley at the base of the topographic relief for T=0s was introduced on the basis of the analyses for each pair of canyons. Namely, correction factors CFh and CFv were defined at each location as the ratio of ASah(T=0) and ASav(T=0), respectively, for the valley model over the corresponding aggravation factor values for the no valley model of each pair. The results showed that valley effects on the topographic aggravation at the outcropping bedrock are almost negligible for the horizontal acceleration (CFh varied between 0.85 and 1.05), but are potentially remarkable for the parasitic vertical acceleration (0.8 ≤ CFv ≤ 2.6), especially for mild valleys and outcrops (e.g. s=i=22.5o ) under low-frequency excitations (e.g. Te=0.4s). Additionally, the CFv is generally smaller in front of the outcrop crest (1.1 ≤ CFv ≤ 1.4, on average) and larger behind it (1.2 ≤ CFv ≤ 1.8, on average).	en
heal.abstract	Η παρούσα εργασία αφορά στην παραμετρική διερεύνηση των επιδράσεων κοιλάδας και τοπογραφίας ανάγλυφου στη σεισμική κίνηση του εδάφους, με έμφαση στη σύζευξη μεταξύ των δύο φαινομένων. Για το σκοπό αυτό εκτελέστηκαν διδιάστατες αριθμητικές αναλύσεις σεισμικής εδαφικής απόκρισης για ομοιόμορφες, συμμετρικές, τραπεζοειδείς κοιλάδες με οριζόντιες και κεκλιμένες εξάρσεις βραχώδους υπόβαθρου επί ιξώδο-ελαστικού εδάφους με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών (FLAC, Itasca Inc 2005). Όλες οι κοιλάδες είχαν λόγο πλάτους προς πάχος B/H=10, αλλά σε κάθε περίπτωση είχαν διαφορετικές μηχανικές ιδιότητες για το έδαφος και τον βράχο. Οι διεγέρσεις που χρησιμοποιήθηκαν ήταν κατακορύφως προσπίπτοντα κύματα SV με χρονοϊστορίες που βασίστηκαν σε σεισμική καταγραφή του σεισμού του Αιγίου (1995). Η πραγματική χρονοϊστορία τροποποιήθηκε κατάλληλα έτσι ώστε να επιτευχθεί η επιθυμητή δεσπόζουσα περίοδος, η οποία κυμάνθηκε από 0,1 έως 0,4 δευτερόλεπτα (σύνηθες εύρος για διέγερση σε αναδυόμενο βράχο). Η κάθε διδιάστατη ανάλυση συνοδεύτηκε από δύο μονοδιάστατες αναλύσεις σεισμικής απόκρισης υπό την ίδια διέγερση: την 1D_soil και την 1D_rock. Η πρώτη αφορά στην προσομοίωση της απόκρισης μιας εδαφικής στρώσης πάχους H επί βραχώδους υπόβαθρου, ενώ η δεύτερη μελέτησε την απόκριση μιας ομοιόμορφης στήλης βραχώδους υποβάθρου. Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στην πυκνή διακριτοποίηση του κανάβου και στις κατάλληλες συνοριακές συνθήκες στο κάθε προσομοίωμα. Η υστερητική απόσβεση των γεωϋλικών προσομοιώθηκε μέσω της απόσβεσης τύπου Rayleigh, η οποία βαθμονομήθηκε κατάλληλα ώστε να παρέχει τον επιθυμητό λόγο απόσβεσης ξ = 5% στις σημαντικές συχνότητες του προβλήματος, δηλαδή μεταξύ της δεσπόζουσας συχνότητας διέγερσης και της θεμελιώδους ιδιοσυχνότητας της εδαφικής στήλης πάχους H. Προκειμένου να προσδιοριστεί η επίδραση που οφείλεται αποκλειστικά σε φαινόμενα κοιλάδας και τοπογραφίας ανάγλυφου, ορίσθηκαν οι λόγοι γεωμορφικής επιδείνωσης ASah και ASav σε κάθε σημείο της επιφάνειας του εδάφους και για την οριζόντια και την παρασιτική κατακόρυφη επιτάχυνση, αντίστοιχα. Συγκεκριμένα, και για τις δύο κατευθύνσεις, ο λόγος γεωμορφικής επιδείνωσης για κάθε περίοδο κατασκευής T ορίζεται ως ο λόγος της φασματικής επιτάχυνσης που υπολογίστηκε από την διδιάστατη ανάλυση έναντι της αντίστοιχης φασματικής τιμής από την αρμόζουσα μονοδιάστατη ανάλυση: 1D_soil εάν το σημείο βρίσκεται στην επιφάνεια του εδάφους και 1D_rock εάν το σημείο βρίσκεται στην επιφάνεια του βράχου. Αρχικά, διερευνήθηκαν οι επιδράσεις της τοπογραφίας του αναδυόμενου βραχώδους υπόβαθρου στην σεισμική απόκριση της κοιλάδας. Συνολικά μελετήθηκαν 23 συνδυασμοί κοιλάδας-τοπογραφίας βραχώδους υπόβαθρου- σεισμικής διέγερσης. Ταυτόχρονα, εξετάστηκαν οι επιδράσεις της δεσπόζουσας περιόδου της διέγερσης Te, των γωνιών κλίσης της κοιλάδας s και των πρανών του αναδυόμενου βραχώδους υπόβαθρου i, του ύψους του αναδυόμενου υπόβαθρου Ht , και του λόγο εμπέδησης εδάφους-βράχου a. Τα αποτελέσματα από όλες τις αναλύσεις για κοιλάδες με οριζόντιες εξάρσεις βραχώδους υπόβαθρου ήταν συμβατά με τα σχετικά αποτελέσματα στην βιβλιογραφία. Αυτό σημαίνει ότι η γεωμορφική επιδείνωση εντός της κοιλάδας είναι πιο έντονη για περιόδους κατασκευής T κοντά στη δεσπόζουσα περίοδο της διέγερσης Te και αυξάνονται με την αύξηση της γωνίας κλίσης της κοιλάδας s και τη μείωση του λόγου εμπέδησης a. Για κοιλάδες με κεκλιμένες εξάρσεις βραχώδους υπόβαθρου παρατηρήθηκε ότι οι φασματικοί λόγοι γεωμορφικής επιδείνωσης ASah και ASav εντός της κοιλάδας επηρεάζονται από το ύψος των πρανών Ht , ιδίως για διεγέρσεις χαμηλής συχνότητας, αλλά παραμένουν πρακτικά ανεπηρέαστοι από τη γωνία κλίσης των βραχώδων πρανών i. Με βάση τις προαναφερθείσες αναλύσεις, εισήχθη ποσοτικός προσδιορισμός των επιδράσεων της κεκλιμένης τοπογραφίας αναδυόμενου βραχώδους υπόβαθρου στη σεισμική απόκριση της κοιλάδας για T = 0s. Πιο αναλυτικά, ορίστηκαν διορθωτικοί συντελεστές CFh και CFv σε κάθε σημείο της επιφάνειας της κοιλάδας ως ο λόγος των φασματικών τιμών ASah(T=0) και ASav(T=0), αντίστοιχα, για τις περιπτώσεις κεκλιμένου αναδυόμενου βραχώδους υπόβαθρου προς τις αντίστοιχες τιμές ASah(T=0) και ASav(T=0) που αφορούν στις περιπτώσεις οριζόντιου υποβάθρου. Διαπιστώθηκε ότι οι τιμές του CFh εντός της κοιλάδας κυμαίνονται μεταξύ 0,7 και 1,06, κατά μέση τιμή, ενώ οι μέσες τιμές του CFv κυμάνθηκαν μεταξύ 0,9 και 1,4. Γενικά, οι διορθωτικοί συντελεστές CFh και CFv καθίστανται πιο σημαντικοί για υψηλότερες και απότομες εξάρσεις βραχώδους υπόβαθρου (π.χ. Ht = 100m, i = 45o ), ιδιαίτερα για την παρασιτική κατακόρυφη επιτάχυνση. Στη συνέχεια, εξετάστηκε το αντίστροφο πρόβλημα, δηλαδή η επίδραση της κοιλάδας στη σεισμική απόκριση του αναδυόμενου βραχώδους υπόβαθρου. Για κάθε περίπτωση, πραγματοποιήθηκε σύγκριση της απόκρισης μεταξύ 2 γεωμορφολογικών δομών με την ίδια γεωμετρία βραχώδους υπόβαθρου κάτω από την ίδια διέγερση: ενός με αλλουβιακή κοιλάδα στη βάση του βραχώδους υπόβαθρου (valley model) και ενός χωρίς τέτοια κοιλάδα (no valley model). Στην πλειονότητα των περιπτώσεων, η κοιλάδα μείωσε τις φασματικές τιμές ASah και αύξησε τις φασματικές τιμές ASav στο αναδυόμενο υπόβαθρο, ανεξάρτητα από το ύψος των πρανών Ht και τις γωνίες κλίσης της κοιλάδας s και των πρανών i. Αξίζει να σημειωθεί ότι για περιόδους κατασκευής T > 1s, οι επιδράσεις της κοιλάδας είναι αμελητέες. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε ποσοτικός προσδιορισμός των επιπτώσεων της ύπαρξης κοιλάδας στη βάση του αναδυόμενου βραχώδους υπόβαθρου για T=0s, με βάση τις αποκρίσεις των 2 συγκρινόμενων γεωμορφολογικών δομών κάθε περίπτωσης. Πιο συγκεκριμένα, ορίστηκαν και πάλι συντελεστές διόρθωσης CFh και CFv σε κάθε σημείο ως ο λόγος των τιμών γεωμορφικής επιδείνωσης ASah(T=0) και ASav(T=0), αντίστοιχα, για τη δομή με κοιλάδα στον πόδα έναντι των αντίστοιχων τιμών γεωμορφικής επιδείνωσης για τη δομή χωρίς κοιλάδα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι επιδράσεις της κοιλάδας στην τοπογραφική επιδείνωση του αναδυόμενου υπόβαθρου είναι σχεδόν αμελητέες για την οριζόντια επιτάχυνση (οι τιμές του CFh κυμαίνονταν μεταξύ 0,85 και 1,05), αλλά είναι δυνητικά σημαντικές για την παρασιτική κατακόρυφη επιτάχυνση (0,8 ≤ CFv ≤ 2,6), ιδιαίτερα για κοιλάδες και βραχώδη πρανή με ήπιες κλίσεις (π.χ. s = i = 22,5o ) κάτω από διεγέρσεις χαμηλής συχνότητας (π.χ. Te = 0,4s). Επιπροσθέτως, οι τιμές του CFv είναι γενικά μικρότερες μπροστά από τη στέψη του βραχώδους πρανούς (1,1 ≤ CFv ≤ 1,4, κατά μέση τιμή) και μεγαλύτερες πίσω από αυτή (1,2 ≤ CFv ≤ 1,8, κατά μέση τιμή).	el
heal.advisorName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας
heal.advisorName	Papadimitriou, Achilleas
heal.committeeMemberName	Μπουκοβάλας, Γεώργιος
heal.committeeMemberName	Ψυχάρης, Ιωάννης
heal.committeeMemberName	Bouckovalas, George
heal.committeeMemberName	Phycharis, Ioannis
heal.committeeMemberName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας
heal.committeeMemberName	Papadimitriou, Achilleas
heal.academicPublisher	Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	170
heal.fullTextAvailability	false