title: Αριθμητική προσομοίωση της επίδρασης υπογείων εγκοίλων μικρού βάθους στον επιφανειακό σεισμικό κραδασμό
title: Numerical simulation of the impact of shallow underground cavities on the surface seismic motion
Creators: name: Ολυμπιος Πετρος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2023

description: Γενικά, η επίδραση των τοπικών  συνθηκών, δηλαδή των στρωματογραφικών, γεωμορφικών  (βλ. ανάγλυφο  βραχώδους  υποβάθρου) και τοπογραφικών (βλ. επιφανειακό  ανάγλυφο) συνθηκών, είναι πολύ σημαντική στη διάδοση των σεισμικών κυμάτων και την επίδρασή τους στις κατασκευές που βρίσκονται στην επιφάνεια. Πιο σύνθετες γεωμετρίες, όπως είναι η ύπαρξη φυσικών ή τεχνητών υπογείων εγκοίλων, δημιουργούν ακόμα πιο πολύπλοκες συνθήκες διάδοσης. Υπό αυτό το πλαίσιο, η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στη μελέτη της επίδρασης φυσικών υπογείων εγκοίλων σχετικά μικρών διαστάσεων στον επιφανειακό σεισμικό κραδασμό. Σκοπός της μελέτης είναι να εξεταστεί κατά πόσο η ύπαρξη των εγκοίλων ή άλλων γεωμορφολογικών ανωμαλιών σχετικά μικρών διαστάσεων κοντά στην επιφάνεια είναι ικανή να επηρεάσει τις δονήσεις που καταγράφονται από επιταχυνσιογράφους κατά τη διάρκεια ισχυρών σεισμών.
Αρχικά, περιγράφονται βασικές έννοιες οι οποίες βοηθούν στην κατανόηση του θέματος, όπως τα βασικά χαρακτηριστικά και η διαδικασία διάδοσης των σεισμικών κυμάτων. Στη συνέχεια, δίδεται έμφαση στην περιγραφή της μεθοδολογίας αριθμητικής προσομοίωσης που εφαρμόσθηκε και την επαλήθευση της μέσω κατάλληλης αναλυτικής διαδικασίας. Συγκεκριμένα, για την υλοποίηση της παρούσας διπλωματικής εργασίας, χρησιμοποιήθηκαν το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS για την πραγματοποίηση των δυναμικών αναλύσεων, καθώς και το λογισμικό SeismoSignal για την παραγωγή των φασμάτων και τη σύγκριση των αποτελεσμάτων. Στο πλαίσιο της διερεύνησης μελετήθηκαν οι κυριότερες παράμετροι που επηρεάζουν το πολύπλοκο φαινόμενο που εξετάσθηκε. Γίνεται αναλυτική περιγραφή των προσομοιωμάτων αναφορικά με τη γεωμετρία των εγκοίλων, τις ιδιότητες των υλικών και των χαρακτηριστικών των επιβαλλόμενων δυναμικών διεγέρσεων.
Μελετήθηκαν διάφοροι τύποι εγκοίλων ευρισκόμενων σε διαφορετικά βάθη, είτε μικρών διαστάσεων, είτε μορφής τάφρου ή σήραγγας. Ακόμη, έγινε σύγκριση για διαφορετικές ταχύτητες διάδοσης διατμητικών σεισμικών κυμάτων, Vs, της επιφανειακής στρώσης. Συγκρίση έγινε επίσης και για την περίπτωση όπου το έγκοιλο είναι είτε κενό, είτε γεμάτο με υλικό πλήρωσης που χαρακτηρίζεται από μικρότερη Vs σε σχέση με τη Vs της περιβάλλουσας εδαφικής στρώσης. Τέλος, ως διεγέρσεις βάσης χρησιμοποιήθηκαν δύο παλμοί Ricker με συχνότητες 2Hz και 6Hz, οι οποίοι διαθέτουν το κατάλληλο συχνοτικό περιεχόμενο για τα υπό εξέταση προβλήματα.
Με βάση τις αναλύσεις που διεξήχθησαν, εξάγεται το γενικό συμπέρασμα ότι, υπό προϋποθέσεις, τα υπόγεια έγκοιλα ενδέχεται να προκαλέσουν αλλοίωση του σεισμικού κραδασμού στην επιφάνεια του εδάφους. Καθώς το γεγονός αυτό μπορεί να δράσει είτε ευεργετικά είτε επιβαρυντικά στη σεισμική καταπόνηση μίας υπερκείμενης κατασκευής, κρίνεται ως απαραίτητος ο αξιόπιστος εντοπισμός των εγκοίλων και η ποσοτική εκτίμηση του ρόλου τους.
description: In general, local site conditions, such as stratigraphic, geomorphic (bedrock) and topographical (surface geometry) are very important in the propagation of seismic waves and their impact on the structures at the ground surface. More complicated geometries, such as the existence of near-surface underground cavities, increase the complexity of these phenomena. In this context, the present diploma thesis focuses on the study of the impact of small-scale underground voids on the seismic motion at the ground surface. The purpose of the study is to examine whether the existence of underground cavities or other geomorphological anomalies of relatively small dimensions near the surface are capable of affecting the measurements recorded by accelererographs during strong earthquakes.
Initially, basic concepts are described that help to understand the problem at hand, such as the basic characteristics and propagation of seismic waves. Emphasis is then given on describing the adopted numerical simulation methodology, which has been verified utilizing an analytical procedure. In particular, ABAQUS finite-element software has been used to perform the dynamic analyses, whereas SeismoSignal software is employed to generate the spectra in order to compare the results. The parametric study examined the main factors affecting the complex phenomenon under consideration. A detailed description of the simulations is provided regarding the geometry of the cavities, the properties of the materials and the characteristics of the imposed base excitations.
Different types of cavities at different depths have been studied, having either small dimensions or shaped like trenches or tunnels. Furthermore, comparisons were made for different seismic shear-wave velocities, VS, of the soil layer. Comparisons were also made for the case where the cavity is either empty or filled with a soft material having smaller VS compared to the Vs of the surrounding soil layer. Lastly, two Ricker pulses with frequencies 2 Hz and 6 Hz have been used as base excitations, as they have a suitable frequency content for the examined problems.
On the basis of the derived results, it can be concluded that, under certain conditions, the underground cavities may influence the propagation of seismic waves near the surface. As this can either be beneficial or detrimental on the seismic distress of adjacent structures, a reliable identification of their presence and a quantitative assessment of their role is deemed necessary.