Υπολογισμός και επεξεργασία της περιστροφικής συνιστώσας της σεισμικής κίνησης στον Ελληνικό χώρο

Abstract

The present thesis focuses on the calculation and processing of the rotational components of ground motion due to earthquake excitation in Greece. The aim of this study is to provide the necessary data to the scientific community, for a phenomenon which, although known for many years, was not considered of great importance, at least in the seismological community, but may affect either man-made constructions or natural slopes and strengthen seismic loads during an earthquake resulting in the enhancement of effects. Results of the present study can be used for future revision of the seismic design standards for buildings and slopes. A complete literature review of studies related to the rotational component, in terms of theoretical background, macroseismic observations and seismic regulations is presented along with rotational earthquake effects observed in Greece. Earthquakes detected to have some sort of rotational effects are listed in a catalogue according to date, time, epicentral region, epicentral coordinates, depth, intensity/magnitude, rotation detection area, epicentral distance and type of rotational effects. Torsion (rotation around vertical axis) and rocking (rotation around horizontal axis) time series are calculated from three component accelerograms and their respective spectra. Raw and corrected data are used. For raw data an algorithm for the automatic correction of raw strong motion data is also presented (routine in MATLAB environment). S and P wave velocity along with the soil type at the recording stations was calculated based on surficial geology and morphological slope. Type of focal mechanism was assigned based on related studies or according to active tectonics and the geographical coordinates and source depth. Relationship between linear acceleration and rotational acceleration is examined based on various soils types and focal mechanisms. Peak ground rotational (torsion and rocking) acceleration, velocity, displacement and spectral acceleration is calculated based on earthquake parameters, soil type, type of focal mechanism and epicentral distance. Results were optimized in order to extract the final relationship. This process was initially carried out for the entire Greek area and then for the Gulf of Corinth. A seismic hazard assessment based on extreme values, in terms of rotation, is conducted for the area of Greece in total and for the area of Gulf of Corinth, separately. Maps of seismic hazard in terms of peak ground torsion and rocking are presented. A tool for calculating in real-time peak ground acceleration, torsion and rocking is presented based on attenuation relationships. Peak ground rotational components (PGRtorsion and PGRrocking) are presented in real-time for the first time worldwide (http://macroseismology.geol.uoa.gr/realtime/).

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι ο υπολογισμός και επεξεργασία των περιστροφικών συνιστωσών της σεισμικής κίνησης μέσω της ανάλυσης δεδομένων ισχυρής κίνησης σεισμών από το σύνολο του Ελληνικού χώρου. Στόχος της είναι να δώσει εκείνα τα απαραίτητα στοιχεία στην επιστημονική κοινότητα, για ένα φαινόμενο το οποίο μέχρι σήμερα θεωρείται ως ελάσσονος σημασίας, τουλάχιστον στη σεισμολογική κοινότητα, αλλά δύναται να επιδράσει με τέτοιο τρόπο είτε στις κατασκευές ή σε φυσικά πρανή ώστε να ενισχύσει τα σεισμικά φορτία κατά τη διάρκεια ενός σεισμικού φαινόμενου με αποτέλεσμα την ένταση των βλαβών-επιδράσεων. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής μπορούν να χρησιμοποιηθούν για περαιτέρω ελέγχους στον αντισεισμικό σχεδιασμό κτηρίων και πρανών και πιθανή βελτίωση του.Παρουσιάζεται μια πλήρης βιβλιογραφική ανασκόπηση για τη μελέτη των περιστροφικών συνιστωσών σε θεωρητικό υπόβαθρο, μακροσεισμικές παρατηρήσεις και στην αντιμετώπιση των συνιστωσών περιστροφής από τους αντισεισμικούς κανονισμούς. Παρουσιάζονται σεισμοί, ιστορικοί και σύγχρονοι, με περιστροφικά μακροσεισμικά αποτελέσματα και καταγράφονται σε σεισμικό κατάλογο (Ημερομηνία, ώρα, επικεντρική περιοχή, συντεταγμένες επικέντρου, βάθος, μέγεθος, περιοχή εντοπισμού περιστροφών, επικεντρική απόσταση, είδος περιστροφικού αποτελέσματος).Παρουσιάζεται η ανάλυση και το θεωρητικό υπόβαθρο μεθοδολογιών υπολογισμού των χρονοσειρών των περιστροφικών συνιστωσών από συνήθη επιταχυνσιογραφήματα τριών συνιστωσών (διορθωμένα και αδιόρθωτα). Για τα αδιόρθωτα δεδομένα παρουσιάζεται ένας αλγόριθμος αυτόματης διόρθωσης επιταχυνσιογραφημάτων (κώδικας σε περιβάλλον MATLAB). Στις θέσεις των σταθμών υπολογίστηκαν οι ταχύτητες των S και P κυμάτων (ανώτερο επιφανειακό στρώμα πάχους 30 μέτρων) και ο τύπος του εδάφους με βάση την επιφανειακή γεωλογία και την κλίση του εδάφους. Επίσης, καταγράφεται για κάθε σεισμό του δείγματος ο τύπος του μηχανισμού γένεσης με βάση αντίστοιχες μελέτες αλλά και με βάση τις γεωγραφικές συντεταγμένες του επικέντρου και το βάθος της εστίας. Εξετάζονται σχέσεις συσχέτισης των περιστροφικών συνιστωσών με τις γραμμικές συνιστώσες της επιτάχυνσης και υπολογίζονται σχέσεις εκτίμησης της μέγιστης περιστροφικής συνιστώσας γύρω από τον κατακόρυφο άξονα (στρέψη) και γύρω από τον οριζόντιο άξονα (στροφή) σε όρους επιτάχυνσης, ταχύτητας, μετατόπισης και ψευδοφασματικής επιτάχυνσης. Οι σχέσεις αυτές λαμβάνουν υπόψη τις εστιακές παραμέτρους καθώς και τον τύπο του εδάφους στη θέση παρατήρησης, τον μηχανισμό γένεσης και την επικεντρική απόσταση. Τα αρχικά αποτελέσματα αυτά βελτιστοποιήθηκαν για την εξαγωγή της τελικής σχέσης. Η διαδικασία πραγματοποιήθηκε αρχικά για το σύνολο του Ελληνικού χώρου και έπειτα για τον Κορινθιακό κόλπο ειδικά.Παρουσιάζεται ανάλυση της σεισμικής επικινδυνότητας αφενός για τον ευρύτερο Ελληνικό χώρο και αφετέρου για την περιοχή του Κορινθιακού κόλπου με βάση τη μέθοδο των ακραίων τιμών. Παρουσιάζονται χάρτες σεισμικής επικινδυνότητας εξαιτίας των περιστροφικών συνιστωσών για την επιτάχυνση, ταχύτητα και μετατόπιση λόγω στρέψης και στροφής.Τέλος, παρουσιάζεται ένα εργαλείο κατανομής των μεγίστων γραμμικών και περιστροφικών επιταχύνσεων σε άμεσο χρόνο. Χάρτες κατανομής των μέγιστων περιστροφικών συνιστωσών (PGRtorsion και PGRrocking) σε άμεσο χρόνο παρουσιάζονται για πρώτη φορά διεθνώς (http://macroseismology.geol.uoa.gr/realtime/).