Εκτίμηση της εξαρτώμενης από τη συχνότητα σεισμικής επικινδυνότητας του ελληνικού χώρου με αιτιοκρατικές και πιθανολογικές μεθόδους

Abstract

The present thesis addresses three fundamental topics of Engineering Seismology; seismic hazard assessment through the application of Probabilistic Seismic Hazard Analysis (PSHA) and Deterministic Seismic Hazard Analysis (DSHA) methodologies, the construction of Ground Motion Prediction Equations and the estimation of Strong Ground Motion from strong motion records. The first part of the thesis addresses the issues related with the estimation of ground motion measures. In attempting to ensure that credible ground motion parameters will be finally calculated, a review and assessment of the current practice in processing strong motion records has taken place. Careful filter design and phase preserving implementation, of stable Infinite Impulse Response filter of low order Butterworth type with varying cut off corners, were the main features of a more subtle processing approach. The second part of the thesis calculating ground motion prediction equations requires assessing the role of magnitude, distance and focal depth of an earthquake as predictors of a meticulous designed mathematical model. On the other hand, site ground conditions and faulting type correspond to the random variables of the mathematical model. The implementation of Genetic Algorithms with initial population development, performed better, than traditional regression techniques, during optimization for determining the model’s coefficients. Another problem addressed in this second part of ground motion modeling is related to the existence of non-linear behavior of soils; even though evidence for these phenomena are not clearly found, in the present database. In the third part, PSHA and DSHA methodologies are applied to a grid of sites covering the broader area of Greece. Individual fault source model activity is connected with linear seismic sources related to either high or low seismicity rates. Moreover, the implementation of a smoothed-gridded seismicity model, which allows for the calculation of seismicity parameters for hypothetical point and linear seismic sources is considered to be an advantage. Finally, a uniform background zone accounts for the seismicity attributed to the on-going subduction of the African lithosphere in the Aegean region. The results of the PSHA analysis are presented in seismic hazard maps corresponding to acceptable risk levels defined as having probability of exceedance equal to 2-percent and 10-percent in the next 50 years and 10-percent in 100 years and 10 years for peak ground acceleration and velocity, as well as spectral acceleration for 0.1s and 1s on uniform rock and stiff soil site conditions . Recognizing the necessity for site specific seismic hazard evaluation, design spectra as well as uniform hazard response spectra for given rates of exceedance have been produced for five sites corresponding to major cities of Greece. However, DSHA benefits only partially from the re-evaluation of the seismic sources. The joint assessment leaves no doubt that the selection of the best, between these two major methods, of seismic hazard analysis is only related to the scope of the individual study requirements. The seismic hazard maps tend to shed some light on future assessments of site specific or of national interest in order to improve seismic risk evaluation and adjacent losses together with counter-seismic design

Στόχο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η διερεύνηση της διαδικασίας εκτίμησης της εξαρτώμενης από τη συχνότητα σεισμικής επικινδυνότητας του ελληνικού χώρου λαμβάνοντας υπόψη τις εξελίξεις των τελευταίων ετών σε σημαντικά θέματα τεχνικής σεισμολογίας. Στο πρώτο κεφάλαιο της διατριβής περιγράφεται η διαδικασία επεξεργασίας και ανάλυσης δεδομένων ισχυρής κίνησης που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Σε αυτό το πρώτο βήμα διαμορφώθηκε ένα σχήμα επεξεργασίας μετά από μια σειρά δοκιμών που είχαν ως στόχο να διερευνήσουν τα περιθώρια βελτίωσης των επιμέρους σταδίων ανάλυσης που χρησιμοποιούνται. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύεται η προσπάθεια καθορισμού νέων σχέσεων εκτίμησης της εδαφικής κίνησης. Παρουσιάζεται η τυποποίηση της εξίσωσης της εδαφικής κίνησης η οποία περιλαμβάνει το μέγεθος, την επικεντρική απόσταση και το εστιακό βάθος ως ανεξάρτητες μεταβλητές, καθώς και την εδαφική κατηγορία και τον τύπο διάρρηξης ως τυχαίες μεταβλητές. Αντίστοιχα, ως εξαρτημένες μεταβλητές του μοντέλου ελήφθησαν οι μέγιστες και φασματικές εδαφικές παράμετροι για τιμή του συντελεστή απόσβεσης ίση με 5% της κρίσιμης απόσβεσης για διακριτές ιδιοπεριόδους. Ακολουθεί, ο προβληματισμός σχετικά με την επιλογή της μαθηματικής μεθόδου επίλυσης της εξίσωσης εδαφικής κίνησης που οδήγησε σε δοκιμές στατιστικών μεθόδων, όπως οι παραδοσιακές μέθοδοι εφαρμοσμένης παλινδρόμησης, καθώς και στοχαστικών μεθόδων βελτιστοποίησης με έμφαση στην εφαρμογή Γενετικών αλγορίθμων. Επιπλέον, κατά το στάδιο αυτό διερευνήθηκε το πρόβλημα της μη γραμμικότητας στη συμπεριφορά των εδαφών εστιάζοντας στη συμμετοχή μη γραμμικού εδαφικού όρου στην εξίσωση εκτίμησης της εδαφικής κίνησης. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η εκτίμηση της σεισμικής επικινδυνότητας μέσω αιτιοκρατικής και πιθανολογικής προσέγγισης. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε αναθεώρηση των μοντέλων σεισμικών πηγών, σύμφωνα με την πρόσφατη διεθνή εμπειρία. Η αναθεώρηση αυτή βασίστηκε στον προσδιορισμό τριών μοντέλων σεισμικών πηγών, των γραμμικών σεισμικών πηγών που συνδέονται με γνωστά ρήγματα, των σεισμικών πηγών που αποδίδονται στη σεισμική δραστηριότητα που δεν συνδέεται με κάποιο γνωστό σεισμικό ρήγμα και της ζώνης ομοιόμορφου υποβάθρου. Το σύνολο αυτό των μοντέλων σεισμικών πηγών συνδέεται με την έκφραση της επιφανειακής, ενόργανης και μη, σεισμικότητας καθώς και της σεισμικότητας ενδιαμέσου βάθους. Κατά τον τελικό υπολογισμό της σεισμικής επικινδυνότητας σύμφωνα με την πιθανολογική προσέγγιση ο συνδυασμός των μοντέλων σεισμικών πηγών πραγματοποιήθηκε μέσω άθροισης των αναμενόμενων τιμών των εδαφικών παραμέτρων κάθε μοντέλου. Τα αποτελέσματα της πιθανολογικής προσέγγισης παρουσιάζονται σε χάρτες για περίοδο υπέρβασης ίση με 2475, 950, 475, 95 έτη για τις εδαφικές παραμέτρους της μέγιστης εδαφικής επιτάχυνσης και ταχύτητας καθώς και της φασματικής επιτάχυνσης για σημαντικές ιδιοπεριόδους τεχνικού ενδιαφέροντος, για βραχώδες υπόβαθρο και συνεκτικό έδαφος. Επιπλέον, ως προέκταση της πιθανολογικής προσέγγισης στο στάδιο αυτό, υπολογίζονται τα φάσματα σχεδιασμού ίσης πιθανότητας και σταθερού σχήματος και παρουσιάζονται αποτελέσματα εφαρμογής για επιλεγμένες θέσεις του ελληνικού χώρου. Τέλος, στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται τόσο η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε όσο και τα αποτελέσματα της αιτιοκρατικής προσέγγισης που βασίστηκε σε ένα διαφοροποιημένο σύνολο σεισμικών πηγών. Τα τελικά αποτελέσματα υποστηρίζουν ότι η κοινή χρήση της πιθανολογικής και αιτιοκρατικής ανάλυσης προσφέρει τα μέγιστα στην εκτίμηση της σεισμικής επικινδυνότητας του ελληνικού χώρου