Ο ρόλος των τοπικών εδαφικών συνθηκών στην εκτίμηση της ισχυρής εδαφικής κίνησης και τις μικροζωνικές μελέτες: εφαρμογή στην πόλη Duzce της Τουρκίας.

Abstract

The aim of the current thesis is to evaluate site effects in site response analysis and microzonation studies, presenting the microzonation study of Duzce which led to the proposal of new response spectra acceleration for the seismic design of structures. Response spectra acceleration are compared with the design response spectra acceleration of seismic codes, and with response spectra acceleration of the new soil class proposals. At first, we present state of the arts regarding site effects, the amplification of seismic response with empirical and theoretical methods, site effects as a parameter in seismic codes and new soil class proposals, and the methodology applied in a microzonation study. Then, we present the seismic hazard assessment regarding the estimation of strong ground motion parameters, the study of geology, seismicity, the selection of ground motion prediction equations and the seismic scenarios analysis in rock conditions in order to estimate peak ground acceleration. The results of seismic hazard assessment are also compared with the results of the SHARE (EFEHR, 2013) research program methodology applied in the region of Duzce. In consequence, we present the selection of available geological, geotechnical and geophysical data which resulted in the synthesis of geotechnical maps, as well as targeted laboratory tests and in situ microtremor measurements that were conducted in Duzce in order to estimate the shear wave velocity profiles at every site. As a result, 2D representative geotechnical cross-sections were constructed along the city. Consequently, we selected all available ground motion records from the SHARE (EFEHR, 2013) database and DNET permanent accelerograph network in the city of Duzce, in order to estimate elastic response spectra acceleration which are compared with the respective design response spectra acceleration of the seismic codes and the new soil class proposals, as well as the estimation of the horizontal to vertical spectral ratios of seismic records. Following that, the microzonation study of Duzce is presented, which includes the synthesis of the final geotechnical map, the seismic bedrock estimation, 1D theoretical analysis in order to estimate response spectra acceleration in every site and the estimation of spatial distribution of the average peak ground acceleration, velocity and displacement values, as well as average spectral acceleration values at selected fundamental periods. As a result, Duzce was divided in seismic zones and for each one we proposed the corresponding mean acceleration response spectra. Finally, we present additional theoretical analyses at DNET accelerograph stations selected sites. Response spectra acceleration are computed in every site and are compared with the corresponding design response spectra acceleration of the seismic codes and the new soil class proposals, as well as with the Uniform Hazard Spectra UHS) (EFEHR, 2017) in rock conditions multiplied with the respective period dependent amplification factor for every soil class and with the proposed mean acceleration response spectra of the microzonation study. At last, the basic thesis’ conclusions are presented along with several proposals for further research in the future.

Σκοπός της διατριβής είναι η εκτενής παρουσίαση της επίδρασης των τοπικών εδαφικών συνθηκών στην εκτίμηση της σεισμικής απόκρισης, με εφαρμογή τη μικροζωνική μελέτη στην πόλη Duzce της Τουρκίας και την πρόταση νέων φασμάτων απόκρισης επιτάχυνσης για την περιοχή για τον αντισεισμικό σχεδιασμό των κατασκευών. Τα φάσματα απόκρισης που προτείνονται συγκρίνονται με τα φάσματα σχεδιασμού των αντισεισμικών κανονισμών καθώς και με τα φάσματα νέων προτάσεων εδαφικής κατηγοριοποίησης. Αρχικά παρουσιάζεται η επισκόπηση της σχετικής βιβλιογραφίας που αφορά στην επίδραση των τοπικών εδαφικών συνθηκών, στην εκτίμηση της ενίσχυσης της σεισμικής απόκρισης με εμπειρικές και θεωρητικές μεθόδους, στην επίδραση των τοπικών εδαφικών συνθηκών ως παράμετρο στους αντισεισμικούς κανονισμούς και σε νέες προτάσεις εδαφικής κατηγοριοποίησης, καθώς και στη μεθοδολογία που εφαρμόζεται για την εκπόνηση μιας μικροζωνικής μελέτης. Ακολουθεί η μελέτη σεισμικής επικινδυνότητας για τον προσδιορισμό των παραμέτρων σχεδιασμού της ισχυρής εδαφικής κίνησης, η μελέτη της σεισμικότητας, η επιλογή σχέσεων πρόβλεψης της εδαφικής κίνησης και η ανάλυση σεισμικών σεναρίων σε συνθήκες βράχου για την εκτίμηση της μέγιστης εδαφικής επιτάχυνσης, καθώς και η αξιολόγηση της ανάλυσης σεισμικής επικινδυνότητας σε σύγκριση με τα αποτελέσματα της μεθοδολογίας του ερευνητικού προγράμματος SHARE (EFEHR, 2013) στην περιοχή της Duzce. Έπειτα παρουσιάζεται η συγκέντρωση των διαθέσιμων γεωλογικών, γεωτεχνικών και γεωφυσικών δεδομένων με αποτέλεσμα τη σύνθεση γεωτεχνικών χαρτών και οι στοχευμένες εργαστηριακές δοκιμές και επί τόπου μετρήσεις μικροθορύβου που διενεργήθηκαν στην πόλη της Duzce και κατέληξαν στον υπολογισμό της μεταβολής της ταχύτητας των διατμητικών κυμάτων Vs με το βάθος σε κάθε θέση. Ως αποτέλεσμα, προέκυψαν οι αντιπροσωπευτικές 2D γεωτεχνικές τομές κατά μήκος της πόλης. Στη συνέχεια συλλέχθηκαν οι διαθέσιμες σεισμικές καταγραφές από τη βάση δεδομένων SHARE (EFEHR, 2013) και από το μόνιμο δίκτυο επιταχυνσιογράφων DNET μέσα στην πόλη για τον υπολογισμό των ελαστικών φασμάτων απόκρισης επιτάχυνσης τα οποία συγκρίνονται με τα αντίστοιχα φάσματα σχεδιασμού των αντισεισμικών κανονισμών και των νέων προτάσεων εδαφικής κατηγοριοποίησης, καθώς και για τον υπολογισμό των φασματικών λόγων της οριζόντιας προς την κατακόρυφη συνιστώσα H/V. Ακολουθεί η παρουσίαση της μικροζωνικής μελέτης που εκπονήθηκε στην πόλη της Duzce, η οποία περιλαμβάνει τη σύνθεση του τελικού γεωτεχνικού χάρτη, την εκτίμηση του σεισμικού υποβάθρου, τη διενέργεια 1D θεωρητικών αναλύσεων για τον υπολογισμό φασμάτων απόκρισης επιτάχυνσης σε κάθε θέση, την εκτίμηση της χωρικής κατανομής της μέγιστης εδαφικής επιτάχυνσης, μετακίνησης και ταχύτητας και της μέγιστης φασματικής επιτάχυνσης σε συγκεκριμένες τιμές περιόδων, το διαχωρισμό της πόλης σε σεισμικές ζώνες και την πρόταση νέου φάσματος απόκρισης για κάθε μία από αυτές. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι επιπρόσθετες θεωρητικές αναλύσεις που έγιναν σε θέσεις εγκατεστημένων επιταχυνσιογράφων του δικτύου DNET. Υπολογίζονται τα φάσματα απόκρισης επιτάχυνσης σε κάθε θέση τα οποία συγκρίνονται με τα αντίστοιχα φάσματα σχεδιασμού των αντισεισμικών κανονισμών, με τα φάσματα απόκρισης της νέας προτεινόμενης εδαφικής κατηγοριοποίησης που προτείνεται από το Α.Π.Θ., με το φάσμα ομοιόμορφης επικινδυνότητας (Uniform Hazard Spectra UHS) (EFEHR, 2017) σε βράχο, πολλαπλασιασμένο με τον αντίστοιχο συντελεστή ενίσχυσης κάθε εδαφικής κατηγορίας και με το αντίστοιχο μέσο φάσμα απόκρισης επιτάχυνσης που προέκυψε από τα αποτελέσματα της μικροζωνικής μελέτης. Τέλος, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της παρούσας διατριβής καθώς και προτάσεις για περαιτέρω διερεύνηση στο μέλλον.