Experimental and theoretical study of seismic ground motion in the city of Aegion, Greece, focusing on local site and topographic effects

Abstract

The aim of this thesis is to estimate the effect on the elastic seismic ground motion of the different geomorphological features present at Aegion with relative completeness, in both components of motion, using all available data, implementing empirical and theoretical approaches and focusing on the uncertainty of the estimates. In our instrumental approach we used an unusually large dataset and investigated basin effects in all components of motion. In our theoretical approach we used a new, more realistic geotechnical model, we investigated parametrically the effects of the basin and slope and used different numerical codes to simulate in-plane and out-of-plane motion. We compared the results of the empirical and theoretical approaches and validated them to the degree possible. We then used these two approaches in a complementary fashion. Instrumental approaches could only be used to study basin effects. SSR and HVSR showed indications of 2D effects and a clear predominance of the transverse component amplification with respect to the radial. The scatter in the spectral amplification computed could not be attributed to any parameter of the events studied. Hence we developed a strategy using statistics to reduce uncertainty. PGA values on soil exceed those predicted by design codes with respect to rock. Although ground motion cannot be described adequately by a single value (e.g. PGA), this indicates that soil amplification may be larger than accounted for in codes. We also showed that response spectral ratios can identify site effects. We used earthquake records from the down-hole array to re-estimate the Vs profile and showed that noise records can achieve similar results. Theoretical 2D analyses led to larger amplification that 1D analyses due to basin and topography effects. 2D results validated instrumental results, including the observation that the transverse component is amplified more than the radial. This is due partly to stronger Love waves which dissipate less than Rayleigh waves. A parametric analysis showed the significance of each interface in the model. Topographic amplification is not the most prominent feature of elastic ground response at Aegion but it exceeds design provisions, especially in the frequency domain, and causes differential motion not accounted for by any code. Basin effects, which are more prominent, are not accounted in any code.

Ο στόχος της διατριβής είναι να εκτιμηθεί η επιρροή στην ελαστική σεισμική απόκριση των γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών του Αιγίου, μελετώντας όλες τις συνιστώσες της κίνησης με σχετική πληρότητα, κάνοντας χρήση όλων των διαθέσιμων δεδομένων, χρησιμοποιώντας θεωρητικές και ενόργανες προσεγγίσεις και δίνοντας έμφαση στην αβεβαιότητα των εκτιμήσεων. Στην ενόργανη προσέγγιση χρησιμοποιήθηκε ασυνήθιστα μεγάλος όγκος δεδομένων. Στη θεωρητική προσέγγιση χρησιμοποιήθηκε ένα νέο, πιο ρεαλιστικό εδαφικό προσομοίωμα και η κίνηση διερευνήθηκε με τη χρήση διαφορετικού κώδικα για την κίνηση εντός και εκτός επιπέδου. Τα αποτελέσματα της ενόργανης και της θεωρητικής προσέγγισης συγκρίθηκαν και επικυρώθηκαν στο βαθμό που ήταν δυνατό και κατόπιν οι δύο προσεγγίσεις χρησιμοποιήθηκαν συμπληρωματικά. Η ενόργανη προσέγγιση χρησιμοποιήθηκε μόνο για την εκτίμηση της επιρροής της λεκάνης. Οι εμπειρικοί φασματικοί λόγοι έδωσαν ενδείξεις δισδιάστατης εδαφικής απόκρισης και σαφούς υπερίσχυσης της εγκάρσιας συνιστώσας σε σχέση με την ακτινική. Η διασπορά στα αποτελέσματα δε μπόρεσε να αποδοθεί σε κάποια σεισμική παράμετρο. Γι’ αυτό αναπτύχθηκε μια στατιστική τεχνική για την ανίχνευση των καταγραφών που συντελούν περισσότερο στην αβεβαιότητα. Η μέγιστη εδαφική επιτάχυνση στο έδαφος σε σχέση με το βράχο ξεπερνά τις κανονιστικές προβλέψεις. Οι φασματικοί λόγοι απόκρισης ανέδειξαν την επιρροή των τοπικών εδαφικών συνθηκών. Χρησιμοποιήθηκαν επίσης μεμονωμένες σεισμικές καταγραφές για τον επαναπροσδιορισμό του προφίλ Vs και βρέθηκε πως παρόμοια αποτελέσματα μπορούν να εξαχθούν με τη χρήση θορύβου. Οι δισδιάστατες αναλύσεις οδήγησαν σε μεγαλύτερες ενισχύσεις από τις μονοδιάστατες λόγω επιρροής της λεκάνης και της τοπογραφίας. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν επιτυχώς με τις ενόργανες παρατηρήσεις, αναπαράγοντας βασικά σημεία όπως ότι η εγκάρσια συνιστώσα ενισχύεται περισσότερο από την ακτινική. Αυτό υποδηλώνει εν μέρει ισχυρότερα κύματα Love τα οποία αποσβέννυνται λιγότερο από τα αντίστοιχα Rayleigh. Η παραμετρική ανάλυση που ακολούθησε κατέδειξε τη σημασία κάθε διεπιφάνειας του προσομοιώματος. Η τοπογραφική ενίσχυση δεν είναι το πιο χαρακτηριστικό στοιχείο της ελαστικής εδαφικής απόκρισης στο Αίγιο μα υπερβαίνει τις προβλέψεις των αντισεισμικών κανονισμών, κυρίως στο πεδίο των συχνοτήτων, και προκαλεί διαφορική κίνηση και ενίσχυση της κατακόρυφης συνιστώσας για τις οποίες δε γίνεται πρόβλεψη. Η επιρροή της λεκάνης είναι σημαντικότερη και δε λαμβάνονται υπ΄ όψιν από κανένα κανονισμό.