Μεθοδολογία αυτοματοποιημένης εκπόνησης Μικροζωνικών Μελετών Σεισμικής Επικινδυνότητας με διαλειτουργικά Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών. Εφαρμογή σε ελληνική πόλη

Abstract

The aim of this doctoral dissertation was the development of a numerical methodology capable of determining the parameters which describe in a detailed and sufficient manner the response of a soil deposit under one-dimensional earthquake excitation. In order to study the seismic response of soil deposits and the site effects, the assessment of soil stratigraphy and soil properties is required. Seismic hazard microzonation studies require realistic assessment of site effects, the simultaneous estimation of multiple investigated locations (soil columns), the relational organizing of multi-thematic data, the database management, as well as the examination of primary and secondary phenomena and their impact on the structures. In order to assess the phenomena and automate these studies, the present methodology develops a total of five individual thematic methodologies, which are: (1) Equivalent linear analysis of one dimensional seismic ground response,(2) Semantic Interpreter, (3) Susceptibility to Liquefaction for three types of field measurements (Crosshole or Downhole, SPT, CPT), (4) Fourier spectra and Inverse Fourier Transform, (5) Εlastic Response Spectra of Structures. All of the above methodologies are interoperating in a single software implementation with the acronym GeoSeism. In order to illustrate the first case study of the complete methodology on a typical Greek city (Volos), the autonomous Base (database management system) geotechnical and multithematic data, in the acronym HelGeoRDaS_uTH, has been also developed and filled with a substantial amount of interrelated spatial data. By the automated interoperation of all the autonomous units GeoSeism constitutes an interoperable GIS.More specifically: (1). Equivalent linear analysis of the one-dimensional seismic ground response: This methodology, under the name Artemis, is a modern application of the numerical SHAKE method (Schnabel et al., 1972). The method simulates numerically the propagation of vertically propagating SH waves through multilayered soil deposits which overly a flexible rock base. It is subject to the limitations and assumptions of the one dimensional equivalent linear method. Verification studies demonstrate that the results of GeoSeism agree with the results of programs which implement the same methodology such as SHAKE91 (Idriss and Sun, 1992) and EERA (Bardet et al, 2000), as well as with results from the finite-difference program FLAC (Itasca, 2011). The Artemis GeoSeism method approximates the nonlinear hysteretic soil behavior for shear strain amplitudes up to 0.2% - practically up to strong earthquakes.(2). The Semantic Interpreter: This methodology and its definition are proposed by the present thesis. It aims at completing and interpreting the available data by using the fundamental knowledge of a scientific field to acquire comprehensive sense (Information) and to save time in the computing procedures for the benefit of the user. Pythia is the name of the first such materialized algorithm. Its methodology produces geotechnical information on the basis of the spatial data interchange of the GIS; i.e. it performs geotechnical interpretation (processing and analysis) rather than simple data acquisition and correlation.(3). Susceptibility to Liquefaction on the basis of the three types of field measurements (Crosshole or Downhole, SPT, CPT). Under the name Polynoi, this methodology examines the safety factor against liquefaction. It performs a qualitative examination based on empirical criteria and a quantitative one based on the Youd and Idriss (2001) empirical methodology for the three types of measurements (CH or DH, SPT, CPT).(4). Fourier Spectra and Inverse Fourier Transform: Under the name Themistoclea, this numerical methodology provides the Direct and the Inverse Discrete Fourier Transform. The present code allows the signal processing of intermediate results and the independent operation of each type of Transform.(5). Elastic Response Spectra of Structures: Under the name Penthesilea, this methodology calculates the potential loading for the earthquake design of the structures in terms of elastic response spectra of single degree of freedom oscillators for various viscous damping values. The methodology is based on the numerical time integration method of the algorithm presented by Nigam and Jennings (1968).In this dissertation, two relational databases are also developed, which are:(A) Database of geotechnical and multidisciplinary data under the name Kallipateira: It is a core database management system that is dependent on GeoSeism. Its geographical and geotechnical relational keys-model allows a semantic interoperation during the exchange of data between separate sources of data (software items, GIS, etc.). The model is not currently fully developed as the corresponding large bases of modern GIS. However, it is the first time that such as solution is implemented, aimed at automating the computing procedures of seismic hazard methodologies. (B) Database of geotechnical and multidisciplinary data under the acronym HelGeoRDaS-uTH: It stores, manages and shares multidisciplinary primary city-level data. It follows the syntactic standards of the interoperable GIS. In the current version spatial data of about 342 discrete site-specific Investigated Locations (soil columns) have been registered. This is the first time that all the available geospatial data for the entire city of Volos (a typical Hellenic city) is collected and registered in digital format constituting an overarching background. Data about the physical and mechanical properties (laboratory tests, SPT, CPT, CH, DH) and the soil profile geometry at different depths are included, as well as geology descriptions, hydrological and topographical data, etc. All of the above products of the present Dissertation have been thoroughly verified by proper benchmark tests which compare the results between GeoSeism and known software programs and the complete methodology was used in a pilot case study of the coastal area of Volos.

Αντικείμενο της παρούσης Διδακτορικής Διατριβής ήταν η ανάπτυξη αριθμητικής μεθοδολογίας με την οποία εκτιμούνται λεπτομερώς και με πληρότητα οι παράμετροι που περιγράφουν τη δυναμική απόκριση του εδάφους υπό μονοδιάστατη σεισμική φόρτιση. Η μελέτη της σεισμικής απόκρισης των αποθέσεων του εδάφους στον χώρο μιας κατασκευής απαιτεί την εκτίμηση της στρωματογραφίας του εδάφους, των δυναμικών ιδιοτήτων του εδάφους και της αναμενόμενης σεισμικής διέγερσης. Οι μικροζωνικές μελέτες προϋποθέτουν τη ρεαλιστική γνώση των εδαφικών συνθηκών, την ταυτόχρονη επίλυση πολλαπλών θέσεων εδαφικών τομών, τη συσχέτιση πολυθεματικών δεδομένων, τη διαχείριση βάσεων, καθώς και την πληρέστερη εξέταση των κύριων και δευτερευόντων φαινομένων που συνδέονται με τη σεισμική εδαφική απόκριση και τα αποτελέσματα στις κατασκευές. Με στόχο να εξετάζει συνολικά το φαινόμενο και να αυτοματοποιεί τις μικροζωνικές μελέτες σεισμικής επικινδυνότητας, η μεθοδολογία ανέπτυξε συνολικά πέντε αυτόνομες θεματικές μεθοδολογίες, οι οποίες είναι: (1) Ισοδύναμα γραμμική Ανάλυση της μονοδιάστατης σεισμικής εδαφικής απόκρισης, (2) Σημασιολογικός Διερμηνέας, (3) Έλεγχος του Κινδύνου Ρευστοποίησης για τρεις τύπους επιτόπιων μετρήσεων (Crosshole ή Downhole, SPT, CPT), (4) Φάσματα Fourier και Αντίστροφοι Μετασχηματισμοί, (5) Φάσματα (ελαστικής) Απόκρισης Κατασκευών. Οι μεθοδολογίες αναπτύχθηκαν σε ενιαίο λογισμικό στο οποίο δόθηκε το ακρωνύμιο GeoSeism. Με στόχο κυρίως την εφαρμογή σε μια τυπική ελληνική πόλη (Βόλος), αναπτύχθηκε το αυτόνομο σύστημα Βάσης Διαχείρισης γεωτεχνικών και πολυθεματικών εδαφικών Δεδομένων HelGeoRDaS_uTH, στο οποίο και καταχωρήθηκε επίσης ένα αξιόλογο περιεχόμενο. Με την αυτοματοποιημένη συνεργασία όλων των αυτόνομων παραπάνω μονάδων, το GeoSeism αποκτά δομή πρότυπου διαλειτουργικού Γεωγραφικού Συστήματος Πληροφοριών.Ειδικότερα:(1). Ισοδύναμα γραμμική Ανάλυση της μονοδιάστατης σεισμικής εδαφικής απόκρισης: Φέρει το όνομα Άρτεμις. Αποτελεί σύγχρονη αναπαραγωγή της αριθμητικής μεθόδου του SHAKE (Schnabel et al., 1972). Χρησιμοποιεί την ακριβή μαθηματική λύση της κυματικής εξίσωσης για τη γενική περίπτωση των πολυστρωματικών σχηματισμών που υπέρκεινται σε εύκαμπτο βραχώδες υπόβαθρο. Είναι αξιόπιστη στα όρια των παραδοχών της μονοδιάστατης ισοδύναμα γραμμικής μεθόδου. Οι έλεγχοι επιβεβαιώνουν ότι τα αποτελέσματα του GeoSeism συμφωνούν με τα αποτελέσματα προγραμμάτων που εφαρμόζουν τη μέθοδο αυτή, όπως είναι το SHAKE91 (Idriss and Sun, 1992) και το EERA (Bardet et al, 2000), καθώς επίσης και με τα αποτελέσματα του προγράμματος πεπερασμένων διαφορών FLAC (Itasca, 2011). Προσεγγίζει τη μη γραμμική υστερητική συμπεριφορά των εδαφών για επιβαλλόμενες διατμητικές παραμορφώσεις πλάτους έως 0.2 % - πρακτικά μέχρι και τους ισχυρούς σεισμούς. (2). Σημασιολογικός Διερμηνέας: Προτείνεται από την παρούσα Διατριβή ως όρος και ως μεθοδολογία. Στόχο έχει να καλύπτει τις ελλείψεις των δεδομένων με βάση τις θεμελιώδεις γνώσεις ενός επιστημονικού πεδίου ώστε να αποκτούν ολοκληρωμένο νόημα και να εξοικονομείται χρόνος στις υπολογιστικές διαδικασίες του χρήστη της Πληροφορίας. Η Πυθία, είναι ένας πρώτος τέτοιος αλγόριθμος που αναπτύχθηκε. Η μεθοδολογία της επιδιώκει να διαμορφώνει γεωτεχνική πληροφορία από τα δεδομένα των ΓΣΠ, δηλαδή επιτελεί γεωτεχνική ερμηνεία (επεξεργασία και ανάλυση) κι όχι απλή ανάκτηση και συσχέτιση δεδομένων.(3). Έλεγχος του Κινδύνου Ρευστοποίησης: Φέρει το όνομα Πολυνόη. Επιτελεί ποιοτικό έλεγχο με βάση εμπειρικά κριτήρια και ποσοτικό έλεγχο με βάση την εμπειρική μεθοδολογία των Youd and Idriss (2001) για τους τρεις τύπους μετρήσεων (CH/DH, SPT, CPT).(4). Φάσματα Fourier και Αντίστροφοι Μετασχηματισμοί: Ο κώδικας φέρει το όνομα Θεμιστόκλεια. Αναπτύσσεται με βάση τον Ευθύ και τον Αντίστροφο Διακριτό Μετασχηματισμό Fourier, με τρόπο που να επιτρέπει την επεξεργασία των ενδιάμεσων αποτελεσμάτων και την αυτόνομη λειτουργία καθενός μετασχηματισμού της μεθοδολογίας. (5). Φάσματα Απόκρισης Κατασκευών: Ο κώδικας φέρει το όνομα Πενθεσίλεια. Υπολογίζει τη δυναμική επιβάρυνση για τον αντισεισμικό σχεδιασμό των κατασκευών σε όρους φασμάτων ελαστικής απόκρισης μονοβάθμιων κατασκευών και διάφορες τιμές ιξώδους απόσβεσης. Αναπτύχθηκε με βάση την αριθμητική εν χρόνω ολοκλήρωση του αλγόριθμου των Nigam and Jennings (1968).Στη Διατριβή αναπτύχθηκαν επίσης δυο σχεσιακές Βάσεις δεδομένων, οι οποίες είναι:(α) Η Βάση Διαχείρισης γεωτεχνικών και πολυθεματικών εδαφικών Δεδομένων με το όνομα Καλλιπάτειρα: Είναι εξαρτημένη στο GeoSeism, με ρόλο κεντρικής διαχείρισης Βάσεων δεδομένων ΓΣΠ. Παρουσιάζει ένα πρότυπο συνδέσμου ο οποίος χρησιμοποιεί γεωγραφικές και γεωτεχνικές αναφορές προκειμένου να ανταλλάσει τα δεδομένα πολλών διαφορετικών μονάδων (με λογισμικά, ΓΣΠ, κ.λπ.). Το πρότυπο δεν είναι προς το παρόν τόσο εξελιγμένο όσο είναι οι αντίστοιχες υπερ-Βάσεις των σύγχρονων ΓΣΠ. Εφαρμόζεται ωστόσο (εδώ) για πρώτη φορά σε μεθοδολογία η οποία έχει στόχο την αυτοματοποιημένη εκπόνηση ΜΜΣΕ.(β) Η Βάση Διαχείρισης γεωτεχνικών και πολυθεματικών εδαφικών Δεδομένων με το ακρωνύμιο HelGeoRDaS_uTH: Έχει τον ρόλο τράπεζας πληροφοριών, εξωτερικής σε σχέση με το GeoSeism. Αποθηκεύει, διαχειρίζεται και διαχέει πρωτογενή πολυθεματικά δεδομένα σε επίπεδο πόλης. Εφαρμόζει προδιαγραφές συντακτικών προτύπων κοινές με τα διαλει-τουργούντα ΓΣΠ. Στην τρέχουσα έκδοση καταχωρήθηκαν ήδη χωρικά δεδομένα για 342 διακριτές Θέσεις Έρευνας (εδαφικές στήλες) με τη μέγιστη πληροφορία καθεμιάς. Είναι η πρώτη φορά που συλλέγονται, αλληλοσυμπληρώνονται και καταχωρούνται ψηφιακά όλα τα διαθέσιμα δεδομένα για το σύνολο της πόλης του Βόλου (τυπική ελληνική πόλη). Κάθε Θέση συνοδεύουν χωρικά δεδομένα, τα οποία αναφέρονται στις φυσικές και μηχανικές ιδιότητες (εργαστηριακές δοκιμές, SPT, CPT, CH, DH) και τη γεωμετρία σε διάφορα βάθη των εδαφικών στρώσεων, καθώς και σε γεωλογικές περιγραφές, υδρολογικά και τοπο-γραφικά στοιχεία, κ.ά. Την επιστημονική και τεχνική αρτιότητα όλων των παραπάνω προϊόντων της Διατριβής, επιβεβαίωσαν οι έλεγχοι που έγιναν συγκρίνοντας τα αποτελέσματα του GeoSeism με εκείνα άλλων λογισμικών, καθώς και η πιλοτική εφαρμογή της συνολικής μεθοδολογίας σε ένα τμήμα της παραλιακής ζώνης της πόλης του Βόλου.