Διερεύνηση συσχέτισης παραμέτρων της εδαφικής κίνησης κοντινού πεδίου με παλμούς κατευθυντικότητας

Abstract

Οι σεισμοί κοντινού πεδίου με παλμό κατευθυντικότητας στη χρονοϊστορία ταχύτητας αποτελούν αντικείμενο μεγάλου ενδιαφέροντος στη σεισμολογία και στην αντισεισμική τεχνολογία. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων χρόνων, γίνονται αρκετές προσπάθειες εντοπισμού του σημαντικού παλμού σε μια διέγερση κοντινού πεδίου, αλλά και προσδιορισμού των χαρακτηριστικών του όπως η δεσπόζουσα περίοδος του παλμού. Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία παρουσιάζεται μια μέθοδος αναγνώρισης των σημαντικών παλμών σε καταγραφές κοντινού πεδίου, όπως αυτή εισήχθη από τους P.Mimoglou, I.Psycharis and I.Taflampas (2012). Στη συνέχεια διερευνάται κατά πόσο οι μέγιστες φασματικές τιμές των καταγραφών, πριν και μετά την αφαίρεση του παλμού, μπορούν να συσχετιστούν με χαρακτηριστικά όπως είναι το μέγεθος του σεισμού Μw, η κοντινότερη από το ρήγμα απόσταση ClD (Closest Distance) και η χρονική διάρκεια του παλμού, γ. Ιδιαίτερη σημασία δίνεται στον συντελεστή κατευθυντικότητας ξ, ο οποίος ορίστηκε από τον Rowshandel (2006) και εξαρτάται από τα γεωμετρικά και αζιμουθιακά χαρακτηριστικά του ρήγματος. Αναφορικά στον συντελεστή ξ μελετάται τόσο η συσχέτιση του με τις μέγιστες φασματικές τιμές ως προς τις αντίστοιχες εδαφικές, όσο και η αποτελεσματικότητά του ως δείκτης πρόβλεψης ύπαρξης παλμού σε μια σεισμική διέγερση. Στο τελευταίο μέρος της παρούσας εργασίας εστιάζουμε στη σημασία του ολοκληρώματος της απόλυτης εδαφικής ταχύτητας CAD, όπως αυτό εισήχθη από τους Taflampas et al (2008) και εισάγουμε ωε δείκτη κατευθυντικότητας τον λόγο της μέγιστης φασματικής τιμής μετακίνησης για μηδενική απόσβεση ως προς την αντίστοιχη τιμή CAD μιας καταγραφής. Μια μικρή αναφορά γίνεται και στον συντελεστή της ισόχρονης θεωρίας c ̃’ (Isochrone Theory) των Spudich et al (2004) και στο αν αυτός ο συντελεστής δείχνει να μπορεί να λειτουργεί ως συντελεστής κατευθυντικότητας. Για την εξαγωγή των αποτελεσμάτων χρησιμοποιούνται 90 καταγραφές της βάσης δεδομένων NGA που χαρακτηρίστηκαν παλμικές από τον Baker (2007). Οι καταγραφές οφείλουν να πληρούν συγκεκριμένα κριτήρια. Ειδικότερα, πρέπει η μέγιστη εδαφική ταχύτητα PGV να είναι μεγαλύτερη από 30cm/sec, και ο παλμός να φτάνει νωρίς στη χρονοϊστορία ταχύτητας. Από τις παραπάνω καταγραφές αφαιρείται αρχικά ο πρώτος σημαντικός παλμός και στη συνέχεια όλοι οι παλμοί από τη χρονοϊστορία ταχύτητας. Στη συνέχεια εξάγονται τα ελαστικά φάσματα σχεδιασμού ψευδοταχύτητας και μετακίνησης για απόσβεση 5% και υπολογίζονται οι λόγοι των μέγιστων φασματικών τιμών ως προς τις αντίστοιχες εδαφικές. Οι εδαφικές τιμές ψευδοταχύτητας και μετακίνησης υπολογίζονται από τις ασύμπτωτες των φασμάτων στις μεγάλες περιόδους. Η εξαγωγή των φασμάτων γίνεται με τη χρήση του προγράμματος Seismosignal. Στους λόγους μετά την αφαίρεση του πρώτου και εν συνεχεία όλων των παλμών, στον παρανομαστή παραμένει η αρχική εδαφική ταχύτητα και μετακίνηση πριν την αφαίρεση του παλμού. Διερευνάται κατά πόσο οι παραπάνω λόγοι μπορούν να συσχετιστούν με το μέγεθος του σεισμού Mw, την κοντινότερη από το ρήγμα απόσταση ClD, τη διάρκεια των παλμών γ και το δείκτη κατευθυντικότητας Rowshandel ξ, πριν και μετά την αφαίρεση του παλμού, δημιουργώντας τα κατάλληλα διαγράμματα. Επίσης, ελέγχεται το αν μπορούν οι τιμές του Ευρωκώδικα 8 για τα ελαστικά φάσματα μετακίνησης για απόσβεση 5%, να καλύψουν επαρκώς τους προκύπτοντες λόγους. Για τον σκοπό αυτό, οι τιμές των ελαστικών φασματικών μετακίνησης σχεδιασμού του EC8 κανονικοποιούνται κατάλληλα, διαιρώντας την αντίστοιχη φασματική τιμή με την εδαφική μετακίνηση, όπως αυτή ορίζεται από τον κανονισμό. Ειδικότερα για τον συντελεστή κατευθυντικότητας ξ γίνεται περεταίρω διερεύνηση της καταλληλότητας του ως δείκτης ύπαρξης παλμού σε μια καταγραφή. Θετικές τιμές του συντελεστή ξ αντιστοιχούν σε διεγέρσεις έμπροσθεν κατευθυντικότητας, ενώ αρνητικές σε περιπτώσεις όπισθεν. Ο συντελεστής ξ υπολογίστηκε για κάθε μια καταγραφή με τη χρήση ενός απλού προγράμματος στη γλώσσα Fortran. Στο τελευταίο μέρος της παρούσας διπλωματικής εργασίας εισάγεται ως δείκτης πρόβλεψης της ύπαρξης παλμού ο λόγος της μέγιστης φασματικής τιμής μετακίνησης για μηδενική απόσβεση ως προς το ολοκλήρωμα της απόλυτης εδαφικής ταχύτητας CAD. Σε έναν μονοβάθμιο ταλαντωτή με αρμονική διέγερση στη βάση του, η θεωρητική τιμή του λόγου της μέγιστης φασματικής τιμής μετακίνησης στον συντονισμό για μηδενική απόσβεση, ως προς το CAD είναι π/4. Τιμές του λόγου των καταγραφών μεγαλύτερες η κοντά στο π/4 ίσως υποδεικνύουν την ύπαρξη παλμού στις καταγραφές κοντινού πεδίου. Ο λόγος maxSD0%/CAD υπολογίζεται για τις 90 παλμικές καταγραφές του Baker και για 43 μη παλμικές προκειμένου να εξαχθούν τα αποτελέσματα. Τέλος, μελετάται σε αρχικό βέβαια στάδιο, η αποτελεσματικότητα του συντελεστή c ̃’ ως δείκτης κατευθυντικότητας.

The investigation of the parameters influencing the design response spectra, as well as the near-fault ground motion, has become urgent in recent years. Ground motions, with a pulse at the beginning of the velocity time history, belong to a special class of ground motion. This type of ground motion is observed at sites located near the fault and it is believed to be caused primarily by forward directivity effects. Forward directivity occurs when the fault rupture propagates towards a site at a rupture velocity close to the velocity of seismic shear waves. As a result, the seismic energy at the site is concentrated in a single large pulse, predominant in the ground velocity time history. In this thesis we present a method for identification of important pulses in near-fault records, as inserted by P.Mimoglou, I.Psycharis and I.Taflampas (2012). Then it is investigated whether the maximum spectral values of the recordings before and after the extraction of the pulse can be associated with characteristics such as the magnitude of the earthquake Mw, the closest Distance from the fault ClD and the duration of the pulse γ. Particular attention is given to the directivity factor ξ, who was nominated by Rowshandel (2006) and depends on the geometric characteristics of the fault. Regarding the coefficient ξ we examine both the correlation of the maximum spectral values divided by the respective ground values, and its effectiveness as a pulse indicator. In the last part of this paper we focus on the importance of the integral of the absolute ground velocity CAD, as introduced by Taflampas et al (2008) and we introduce the ratio of maximum spectral displacement for zero damping divided by the corresponding value of CAD. A brief reference is made for the coefficient of isochronal theory c ̃’ (Isochrone Theory) of Spudich et al (2004) and we examine whether this factor seems to be working as directivity factor. To get our results 90 records of NGA database characterized as pulse-like from Baker (2007), are used. The records must follow certain criteria. Specifically the maximum ground velocity PGV must be greater than 30cm/sec, and the pulse must arrive early in the velocity time history. From these records we initially removed the first significant pulse and then all the pulses from the velocity time history. Then we computed the pseudo-velocity and displacement spectra for 5% damping and the ratios of maximum spectral values divided by the ground values are calculated.. The spectra are computed using the Seismosignal software. We investigate whether the above ratios can be correlated with the magnitude of the earthquake Mw, the closest distance from the fault ClD, the pulse duration γ and the Rowshandel directivity factor ξ, before and after the extraction of the pulse, creating the appropriate diagrams. Also, we check whether the values of elastic response spectra of Eurocode 8 for 5% damping are able to cover adequately the computed ratios. For this purpose, the values of elastic spectral displacement of EC8 are appropriately normalized by dividing the corresponding spectral value by the ground displacement. Especially for the directivity factor ξ further investigation is made in order to find out whether it can be efficiently used as a pulse indicator. Positive values of the coefficient ξ correspond to forward directivity phenomenon, while negative ones correspond to backward directivity phenomenon. The factor ξ was calculated by using a simple program in the FORTRAN language. At the last part of this thesis the ratio of maximum spectral displacement for zero damping divided by the integral of the absolute ground velocity CAD is introduced as pulse indicator. In a single oscillator with harmonic excitation at its base, the theoretical value of the ratio for zero damping is π / 4. Records with values close or above π / 4 may indicate the presence of a pulse in velocity time history. For this purpose the ratio maxSD0% / CAD is calculated for the 90 pulse-like records of Baker and for 43 non pulse-like. Finally, the effectiveness of the coefficient c ̃’ as an indicator of directivity is investigated.