Seismic actions in the context of the Eurocode 8 revision and risk assessment of urban areas and critical infrastructure

Abstract

The aim of this thesis is, on one hand, to provide insights and contribute to the improvement of the seismic design actions in the upcoming revision of Eurocode 8, the European standard for seismic design, and on the other hand, to validate and apply seismic hazard and risk models for the assessment of urban environment and critical infrastructure. Combined, these two pillars provide a comprehensive framework for seismic design and risk assessment, potentially aiding both regulatory development and practical decision-making for risk mitigation. The first part of the thesis focuses on the derivation of design seismic actions consistent with the framework of the revised Eurocode 8. A methodology is developed to extract the spectral parameters $S_{\alpha}$ and $S_{\beta}$ — which define the short- and medium-period anchors of the EC8 elastic response spectrum— using the 2020 European Seismic Hazard Model (ESHM20). These parameters are derived not only for the standard return period of 475 years, but also for longer return periods of 975, 2,500, and 5,000 years, related to the seismic designing of critical structures under rare but severe earthquakes. Based on these values, analytical performance factors are derived, enabling the scaling of the spectral parameters to higher return periods in a manner that accounts for both the vibration period and the site-specific hazard characteristics. These are tested across a set of 79 industrial sites in nine European countries and compared against the uniform performance factors recommended in the revised EC8. The comparison shows that the recommended uniform performance factors of the revised Eurocode 8 may result in either overly conservative or insufficiently conservative estimates, particularly in regions of low-to-moderate seismicity. A complete proposal for the Greek National Annex of the revised EC8 is also developed. This includes a new seismic zonation map and defines the design parameters $S_{\alpha}$ and $S_{\beta}$, peak ground acceleration (PGA), corner periods, and performance and site amplification factors per zone. These values are derived through a consistent methodology based on ESHM20, after considering additional geographical and demographical criteria. The proposed framework represents a harmonized and practical contribution to the seismic design provisions of EC8 in the national level. This work aims to contribute to the modernization of seismic design regulations in Greece, aligning them with the philosophy of the revised Eurocode 8 and international best practices, while remaining practical for use by engineers. As part of this work, seismic risk models were tested against observed damage from three major earthquakes: the 1978 Thessaloniki, 1999 Athens, and 2023 Kahramanmaraş events. Scenario-based analyses were performed using different combinations of exposure, fragility, and ground motion models, followed by comparisons with post-earthquake observations. The findings highlight that while certain model configurations result in risk estimates closely aligned with observed damage, significant sensitivities remain mainly related to the choice of input models and assumptions. In all cases, the resolution and quality of exposure data is an important limitation, especially in urban-scale assessments. These case studies highlight the importance of systematic validation of seismic risk models using real events, as a necessary step toward improving their reliability. A risk assessment study is carried out for the city of Thessaloniki to examine how current seismic hazard and risk models perform in an urban environment. Different approaches to modelling site conditions are compared, showing that while hazard levels vary depending on the method used, the overall differences in risk at the city scale are more moderate. A probabilistic analysis using the OpenQuake Engine shows that the highest risk is concentrated in the central and coastal areas, due to strong ground shaking in combination with older building stock. The results underline the importance of using detailed exposure data and appropriate models, especially when assessing risk at local scale. To support the practical use of the models developed in this thesis, a web application named Aegis is also developed. Probabilistic seismic hazard analyses based on ESHM20 are performed and integrated into the platform, along with exposure and vulnerability databases, assembled in the context of this thesis. Aegis enables users to retrieve site-specific seismic hazard parameters, view response spectra compatible with Eurocode 8, and perform simplified risk queries through an interactive and user-friendly interface. Although currently focused on Greece, the modular structure of the application allows for future expansion to other regions. Looking forward, the models and tools presented here offer a foundation for further developments in seismic design and risk assessment.

Ο στόχος της διατριβής είναι διπλός: αφενός να συμβάλει στη βελτίωση των σεισμικών δράσεων σχεδιασμού που αφορούν την επικείμενη αναθεώρηση του Ευρωκώδικα 8 (EC8) και αφετέρου να ελεγχθούν και να εφαρμοστούν μοντέλα σεισμικής επικινδυνότητας και διακινδύνευσης για αστικές περιοχές και κρίσιμες υποδομές. Τα δύο σκέλη συνθέτουν ένα ενιαίο, πρακτικό πλαίσιο που μπορεί να υποστηρίξει τόσο την κανονιστική εξέλιξη όσο και τη λήψη αποφάσεων για μείωση της διακινδύνευσης. Στο πρώτο μέρος, αναπτύσσεται μια απλή και ολοκληρωμένη διαδικασία υπολογισμού των δύο βασικών παραμέτρων του ελαστικού φάσματος απόκρισης του αναθεωρημένου EC8, Sα και Sβ, με αξιοποίηση του Ευρωπαϊκού Μοντέλου Σεισμικής Επικινδυνότητας ESHM20. Τιμές παρέχονται όχι μόνο για την τυπική περίοδο επαναφοράς (475 έτη), αλλά και για 975, 2.500 και 5.000 έτη, σχετικές με τον σχεδιασμό κρίσιμων κατασκευών υπό σπάνιους αλλά ισχυρούς σεισμούς. Με βάση αυτές τις τιμές προτείνονται αναλυτικοί συντελεστές απόδοσης, που επιτρέπουν τεκμηριωμένη κλιμάκωση τόσο ως προς την περίοδο επαναφοράς όσο και ως προς τα τοπικά χαρακτηριστικά επικινδυνότητας. Η εφαρμογή τους εξετάζεται σε 79 βιομηχανικές περιοχές σε εννέα ευρωπαϊκές χώρες και συγκρίνεται με τους ομοιόμορφους συντελεστές απόδοσης που συνιστώνται στον νέο EC8. Σε αρκετές περιοχές χαμηλής έως μέτριας σεισμικότητας οι ομοιόμορφοι συντελεστές προκύπτουν είτε υπερσυντηρητικοί είτε ανεπαρκείς. Παρουσιάζεται επίσης μια ολοκληρωμένη πρόταση για το νέο Ελληνικό Εθνικό Προσάρτημα για τον υπό αναθεώρηση EC8. Περιλαμβάνει επικαιροποιημένο χάρτη ζωνών σεισμικής επικινδυνότητας και, ανά ζώνη, τις βασικές παραμέτρους του ελαστικού φάσματος, αναλυτικούς συντελεστές απόδοσης και συντελεστές εδαφικής ενίσχυσης. Οι τιμές προκύπτουν από μια τεκμηριωμένη μεθοδολογία βασισμένη στο ESHM20, με πρόσθετα γεωγραφικά και δημογραφικά κριτήρια. Το προτεινόμενο πλαίσιο προσφέρει ένα ενιαίο και πρακτικό εργαλείο για τον αντισεισμικό σχεδιασμό σε εθνική κλίμακα και στοχεύει στον εκσυγχρονισμό των κανονισμών στην Ελλάδα, σε σύμπλευση με τη φιλοσοφία του νέου EC8 και τις διεθνείς βέλτιστες πρακτικές. Στο δεύτερο μέρος, η αξιοπιστία ευρέως χρησιμοποιούμενων μοντέλων διακινδύνευσης αξιολογείται μέσω σύγκρισης των εκτιμήσεών που προκύπτουν από την χρήση τους με τις πραγματικές βλάβες από τους σεισμούς Θεσσαλονίκης (1978), Αθήνας (1999) και Καχραμανμαράς (2023). Πραγματοποιούνται αιτιοκρατικές αναλύσεις (scenario-based) με διαφορετικούς συνδυασμούς μοντέλων έκθεσης, τρωτότητας και εδαφικής κίνησης, και τα αποτελέσματα αντιπαραβάλλονται με επίσημες καταγραφές βλαβών. Σε ορισμένους συνδυασμούς οι εκτιμήσεις προσεγγίζουν ικανοποιητικά τις παρατηρούμενες βλάβες,ωστόσο σε ορισμένες περιπτώσεις διαπιστώθηκαν αποκλίσεις και σημαντικές ευαισθησίες που αποδίδονται σε συγκεκριμένες παραδοχές. Σε όλες τις περιπτώσεις, η ποιότητα των δεδομένων για τα υπό διακινδύνευση στοιχεία (μοντέλο έκθεσης) αναδείχθηκε ως βασικός περιορισμός, ιδίως σε αναλύσεις μεγάλης κλίμακας. Με βάση τα παραπάνω, υπογραμμίζεται η ανάγκη για συστηματική επαλήθευση των μοντέλων διακινδύνευσης με πραγματικά γεγονότα, με σκοπό τη βελτίωση της αξιοπιστία τους. Παράλληλα, εκπονήθηκε μελέτη περίπτωσης για τη Θεσσαλονίκη, όπου εξετάζονται σύγχρονα μοντέλα σεισμικής επικινδυνότητας και διακινδύνευσης σε αστικό περιβάλλον. Συγκρίνονται διαφορετικές προσεγγίσεις εκτίμησης των τοπικών εδαφικών συνθηκών και διαπιστώνεται ότι, παρότι η εκτιμώμενη σεισμική επικινδυνότητα (hazard) επηρεάζεται σημαντικά από τη μέθοδο που εφαρμόζεται, οι διαφορές στην εκτιμώμενη διακινδύνευση (risk) σε όρους βλαβών και οικονομικών απωλειών είναι ηπιότερες σε κλίμακα πόλης. Επίσης, μια πιθανοτική ανάλυση που πραγματοποιείται με το OpenQuake Engine δείχνει υψηλότερη διακινδύνευση στις κεντρικές και παραθαλάσσιες περιοχές, λόγω ισχυρότερης εδαφικής κίνησης σε συνδυασμό με παλαιότερο κτιριακό απόθεμα. Για την πρακτική αξιοποίηση των παραπάνω, αναπτύσσεται η διαδικτυακή εφαρμογή Aegis. Η πλατφόρμα ενσωματώνει πιθανοτικές αναλύσεις σεισμικής επικινδυνότητας βασισμένες στο ESHM20, καθώς και βάσεις δεδομένων έκθεσης και τρωτότητας που συγκεντρώνονται στο πλαίσιο της διατριβής. Το Aegis επιτρέπει άντληση σημειακών παραμέτρων επικινδυνότητας, προβολή ελαστικών φασμάτων απόκρισης συμβατών με τον EC8 και εκτέλεση απλοποιημένων ερωτημάτων διακινδύνευσης μέσα από διαδραστικό, φιλικό περιβάλλον. Παρότι προς το παρόν εστιάζει στην Ελλάδα, η αρθρωτή σχεδίαση διευκολύνει την επέκταση και σε άλλες περιοχές.