Directionality and soils’ effects on the seismic hazard and risk. Applications to ground motion big data sets and to urban environments
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Pinzón Ureña, Luis Alejandro
2021-A
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Los terremotos se definen como una «sacudida violenta de la corteza y el manto, producida por fuerzas que actúan en el interior de la Tierra». En la mayoría de los casos, estas fuerzas son causadas por procesos relacionados con la liberación de energía, producido por el contacto entre placas tectónicas. Otros terremotos menos frecuentes, son los inducidos por actividades antrópicas o los de origen volcánico. En cualquier caso, la energía se libera en forma de ondas multidireccionales, que llegan a la superficie, causando efectos diversos. Las intensidades causadas por un terremoto, sin embargo, no son uniformes en todas las direcciones de su propagación. A menudo, el movimiento fuerte está polarizado, debido al tipo falla y/o a la proximidad al hipocentro, de forma que, dependiendo de la geometría y dinámica de la ruptura, las aceleraciones son más intensas en determinadas direcciones. Este fenómeno se conoce como efecto de directividad. Por otra parte, la intensidad y la forma de la onda varían dependiendo del medio de propagación. En este sentido, los modelos predictivos del movimiento fuerte del terreno tienen en cuenta, también, los efectos debidos a la propagación, desde la fuente al lugar de interés, de la energía liberada. Los efectos locales, principalmente los debidos a la topografía y la geología, también son importantes. Los medios rígidos, como los suelos rocosos y compactos, no tienden a amplificar el movimiento sísmico, mientras que los suelos blandos sí amplifican frecuencias específicas, dependiendo de las propiedades del subsuelo y de las características del movimiento. En cuanto a los efectos de direccionalidad, estos hacen referencia al movimiento fuerte en un lugar específico. Esta tesis aborda dos temas importantes en relación con estos efectos. El primero se refiere a la orientación de los sensores que registran las acciones sísmicas y el segundo está relacionado con el daño esperado en edificios concretos, dependiendo de la orientación de sus ejes principales. Vale decir que, hoy en día, la mayor parte de las normativas sísmicas aún no consideran los efectos de direccionalidad. En esta tesis, se presta especial atención tanto a los efectos de direccionalidad como a los efectos de suelo.
Desde el año 2008, se han reportado 360,000 muertos, aproximadamente, por causa de terremotos. Este hecho pone en evidencia la necesidad de desarrollar más y mejores herramientas para evaluar y prevenir el riesgo sísmico. Por consecuente, el objetivo principal de esta tesis ha sido identificar y evaluar los efectos de direccionalidad del movimiento fuerte y los efectos de suelo que influyen en la peligrosidad y el riesgo sísmico, con aplicaciones en la microzonificación sísmica de suelos en entornos urbanos y en grandes bases de datos de acelerogramas. La tesis se divide en tres bloques: I) los efectos de direccionalidad, II) los efectos de suelo, clasificación de sitios y otros temas relacionados con el riesgo sísmico, y III) estudios de casos relevantes relacionados con los dos bloques anteriores. En el primer bloque, se han considerado los efectos de direccionalidad en las acciones sísmicas esperadas; por lo que, se han estimado medidas de intensidad utilizando las bases de datos de Italia y Costa Rica. Además, en la evaluación del daño previsible en edificios, utilizando análisis dinámicos no lineal, se ha propuesto un nuevo planteamiento que permite considerar los efectos de direccionalidad de forma simplificada. En el segundo bloque, se realizan estudios de microzonificación y de resonancia (suelo-edificio) a la Ciudad de Barcelona; además, se realiza una clasificación sísmica de los emplazamientos de las estaciones acelerométricas de la red española; el análisis de interacción suelo-estructura, considerando los efectos de direccionalidad, y la propuesta de una nueva medida de intensidad, altamente correlacionada con la deriva (drift) en edificos, aparecen como temas complementarios en este bloque. Finalmente, en el tercer bloque, fueron incluidas tres contribuciones relevantes que completan esta disertación. Los resultados demuestran, 1), que los efectos de direccionalidad en las acciones sísmicas esperadas son significativos y hay que considerarlos en los estudios probabilísticos de amenaza sísmica, así como en las evaluaciones de riesgo sísmico y confirman, 2), la relevancia que los efectos de sitio tienen, tanto en los estudios de peligrosidad sísmica como en la evaluación del daño esperado en estructuras. Esta tesis doctoral pretende ser un paso adelante hacia la evaluación, prevención y reducción del riesgo sísmico.
Palabras claves: ingeniería sísmica; sismología para la ingeniería; efectos de direccionalidad; efectos de sitio; evaluación del daño; clasificación de sitio; movimientos del terreno; medidas de intensidad; interacción suelo-estructura; microzonificación; amenaza sísmica; riesgo sísmico; cocientes espectrales H/V; periodo fundamental; deriva entre piso; efectos de suelo.
Códigos UNESCO: 2507.05; 3305.32.
Earthquakes are defined as a «violent shaking of the Earth’s crust and mantle, caused by forces acting inside the Earth». In most cases, these forces are caused by an energy release process generated from the contact of the Earth’s tectonic plates. Other less common causes are the human-induced earthquakes or those generated through volcanic activity. In either case, the energy is released in the form of multi-directional waves, which reach the surface, causing different effects. However, the intensity of an earthquake is not uniform in all its propagating directions. Many times, the motion is polarized due to the type of fault and/or the proximity to it, causing higher intensities in specific directions, depending on the dynamics and geometry of the rupture. This is what is known as the directivity effect. Furthermore, both the intensity and the shape of the wave vary depending on the propagation medium. Ground motion prediction models deal with the spread of the released energy from source to site. Local site effects, both soil effects and topographical effects, are also important. Rigid media, such as rocky and stiff soils, do not tend to amplify the seismic motion, while soft soils amplify specific frequencies depending on local sub-soil geology and on the motion characteristics. Directionality effects refer to the strong motion in a specific site. This thesis deals with two important issues related to directionality. The first one refers to the orientation of the sensors recording the seismic actions; the second one refers to the expected damage in buildings depending on the directions of their strong and weak main axes. It is worth to mention that nowadays, directionality effects are not considered in most structural regulations. In this thesis, special attention is paid to the directionality and soil effects.
Since 2008, around 360,000 earthquake fatalities have been reported. This evidence demonstrates the need to develop more and better ways to assess and to prevent seismic risk. Therefore, the main objective of this thesis is to identify and evaluate the strong-motion directionality and the soils’ effects on the seismic hazard and risk, with applications to strong-motion data sets and soils’ in urban environments. This thesis is divided into three principal blocks: I) directionality effects, II) Soils effects, site classification and other seismic risk-related issues and, III) relevant case studies related to the previous two blocks. In the first block, directionality effects have been considered in the expected strong seismic actions, through the estimation of intensity measures using databases from Italy and Costa Rica. Also, in the assessment of the expected damage of buildings through non-linear dynamic analyses, a simplified approach has been proposed to consider directionality effects. In the second block, microzonation and soil-building resonance effects in the city of Barcelona are studied. In addition, a seismic site classification is defined for the Spanish strong-motion network. The dynamic soil-structure interaction, considering directionality effects and, the proposal of a new drift-correlated intensity measure, appeared as supplementary subjects in this block. Finally, in the third block, other relevant contributions were included to complement this dissertation. The results demonstrate 1) that directionality effects in expected seismic actions are significant and should be considered in Probabilistic Seismic Hazard Analysis (PSHA) and in seismic risk assessments; and 2) they confirm the relevance that site effects (soil effects), has both in seismic hazard studies and in the assessment of the expected damage. This PhD thesis wants to be an additional step towards the assessment, prevention, and reduction of the risk due to earthquakes.
Keywords: earthquake engineering; engineering seismology; directionality effects; site effects; damage assessment; site classification; ground-motions; intensity measures; soil-structure interaction; microzonation; seismic hazard; seismic risk; horizontal-to-vertical spectral ratios; fundamental periods; inter-story drift; soils’ effects; strong motion site characterization.
UNESCO codes: 2507.05; 3305.32.