New elastic spectra, site amplification factors and aggravation factors for complex subsurface geology, towards the improvement of EC8

Abstract

The aim of this thesis is to contribute to the improvement of the site effects-related provisions of European seismic code EC8 which affect the definition of seismic action, focusing on the one hand on the soil classification system and corresponding elastic response spectra, which in general make allowance for one-dimensional (1D) site effects, and on the other hand on the potential incorporation of two-dimensional (2D) basin effects into EC8. The accuracy of EC8 normalized response spectra and soil amplification factors for the different soil categories proposed in the current version of EC8 was examined against a worldwide strong motion database. The spectral shapes provided by EC8 were found to be in good agreement with the empirical spectra, while improved soil amplification factors were proposed for EC8 soil classes B and C. Regarding soil classification, a new soil classification system was presented, which aims at eliminating the limitations in using Vs,30 as a single key parameter for the definition of different soil classes and the description of amplification potential for different soil conditions. The proposed classification system, which uses the thickness, the average shear wave velocity of the entire soil profile and the fundamental period of the site as primary classification parameters, was found to exhibit an improved performance in terms of inter-category error compared to the current EC8 classification system. The new classification system is accompanied by proper elastic response spectra, which were derived using records from sites with very well-known geotechnical documentation. The sensitivity of 2D seismic response of trapezoidal basins to different parameters, such as basin geometry, sediments properties, consideration of soil nonlinearity and shear wave velocity gradient was examined through extensive parametric numerical analyses. Basin effects were quantified through a period-dependent aggravation factor (AGF), which is defined as the ratio between 2D and 1D acceleration response spectra at the basin surface. AGF were found to depend strongly on the geometry of the basin (width and thickness), the dynamic properties of the basin (average shear wave velocity of the sediments and fundamental period of the basin) and the position of the location of interest. The replacement of an inhomogeneous soil with an equivalent homogeneous one may lead to underestimation of aggravation in the vicinity of the basin-bedrock discontinuity and overestimation of aggravation at the flat part of the basin, while consideration of nonlinearity may result to a decrease of aggravation factors for the flat part of the basin. Regarding the incorporation of basin effects into EC8 provisions, the use of a short-period aggravation factor and a long-period aggravation factor was proposed, with which the spectral values of the code elastic response spectrum should be multiplied. The proposed aggravation factors should be used for normally-shaped sedimentary basins, the geometry of which is more or less trapezoidal, and for ordinary structures only.

H παρούσα διατριβή έχει σαν στόχο να συνεισφέρει στη βελτίωση των διατάξεων του Ευρωκώδικα 8 που σχετίζονται με την επιρροή των τοπικών εδαφικών συνθηκών στον ορισμό της σεισμικής δράσης. Η συνεισφορά συνίσταται αφενός στην πρόταση ενός νέου συστήματος εδαφικής κατηγοριοποίησης και βελτιωμένων ελαστικών φασμάτων απόκρισης, και αφετέρου στην πρόταση συντελεστών σεισμικής επιδείνωσης για την ενσωμάτωση της επιρροής της σύνθετης επιφανειακής γεωλογίας. Η επάρκεια των κανονικοποιημένων φασμάτων και των συντελεστών εδαφικής ενίσχυσης του Ευρωκώδικα 8 ελέγχθηκε χρησιμοποιώντας ένα μεγάλο δείγμα από μια παγκόσμια βάση σεισμικών καταγραφών. Τα κανονικοποιημένα φάσματα του Ευρωκώδικα 8 είναι σε γενικές γραμμές συμβατά με τα εμπειρικά φάσματα των καταγραφών. Βελτιωμένες τιμές προτάθηκαν για τον συντελεστή εδαφικής ενίσχυσης S για τις κατηγορίες B και C. Επιπροσθέτως, παρουσιάστηκε ένα νέο σύστημα εδαφικής κατηγοριοποίησης, το οποίο βασίστηκε σε μια νέα βάση δεδομένων με καταγραφές ισχυρής εδαφικής κίνησης από θέσεις με πολύ καλή γεωτεχνική τεκμηρίωση έως και το σεισμικό υπόβαθρο, η οποία δημιουργήθηκε στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής. Το προτεινόμενο σύστημα χρησιμοποιεί ως βασικές παραμέτρους κατηγοριοποίησης το πάχος, τη θεμελιώδη ιδιοπερίοδο και τη μέση ταχύτητα των διατμητικών κυμάτων ολόκληρης της εδαφικής απόθεσης και συνοδεύεται από τα αντίστοιχα ελαστικά φάσματα απόκρισης. Η αποτελεσματικότητα του νέου συστήματος εδαφικής κατηγοριοποίησης έναντι του συστήματος του Ευρωκώδικα 8 αποτιμήθηκε μέσω του υπολογισμού ενός σφάλματος που εκφράζει τη μέση διασπορά σε όλες τις κατηγορίες κάθε συστήματος. Οι τιμές του σφάλματος αυτού είναι μικρότερες για το νέο σύστημα σε σχέση με το σύστημα του Ευρωκώδικα 8 για όλες τις περιόδους. Η ευαισθησία της δισδιάστατης απόκρισης ιζηματογενών λεκανών σε παραμέτρους που σχετίζονται με τη γεωμετρία της λεκάνης τις εδαφικές ιδιότητες και τη θεώρηση μη γραμμικότητας διερευνήθηκε μέσω εκτενών παραμετρικών αριθμητικών αναλύσεων. Η ποσοτικοποίηση της επιρροής των διαφόρων παραμέτρων πραγματοποιήθηκε με τον υπολογισμό ενός συντελεστή σεισμικής επιδείνωσης (AGF), ο οποίος ορίζεται ως ο λόγος των φασματικών επιταχύνσεων των δισδιάστατων αναλύσεων προς τις αντίστοιχες μονοδιάστατες. Οι συντελεστές σεισμικής επιδείνωσης εξαρτώνται από το πλάτος και το πάχος της λεκάνης, τα δυναμικά χαρακτηριστικά του εδαφικού υλικού και τη θέση κατά μήκος της λεκάνης. Η αντικατάσταση του ανομοιογενούς εδαφικού προφίλ με ισοδύναμο ομοιογενές μπορεί να οδηγήσει σε υποεκτίμηση του συντελεστή επιδείνωσης στην περιοχή κοντά στην πλευρική ασυνέχεια και σε υπερεκτίμηση του συντελεστή επιδείνωσης στο σταθερού πάχους τμήμα της κοιλάδας, ενώ η θεώρηση μη γραμμικού υλικού οδηγεί σε μικρή μείωση του συντελεστή επιδείνωσης στο σταθερού πάχους τμήμα της κοιλάδας. Για την ενσωμάτωση της επιρροής της σύνθετης επιφανειακής γεωλογίας στον Ευρωκώδικα 8 προτείνεται η χρήση ενός μέσου συντελεστή σεισμικής επιδείνωσης μικρών περιόδων (AGFS) και ενός μέσου συντελεστή μεγάλων περιόδων (AGFL), για τον σχεδιασμό κατασκευών με θεμελιώδη ιδιοπερίοδο Τ≤0.75T0,c και T>0.75T0,c, αντίστοιχα, όπου T0,c είναι η θεμελιώδης ιδιοπερίοδος της εδαφικής απόθεσης στο κέντρο της λεκάνης. Οι συντελεστές αυτοί, οι οποίοι πολλαπλασιάζουν σε κάθε περίπτωση την τεταγμένη του ελαστικού φάσματος απόκρισης του κανονισμού, πρέπει να χρησιμοποιούνται για κοιλάδες των οποίων η γεωμετρία προσομοιάζει την τραπεζοειδή και για τον σχεδιασμό συνήθων κατασκευών μόνο.