Risk assessment of buildings due to earthquake - induced ground shaking, liquefaction and tsunami

Abstract

Earthquake-induced hazards, such as ground shaking, liquefaction and tsunami, are high-impact geophysical events that may cause tremendous losses to structures and pose significant threat to people. Moving toward a safer and more resilient society requires efficient risk assessment tools targeting integrated risk mitigation strategies on a regional or site-specific scale. Stemming from the general lack of methodological frameworks to assess building vulnerability and risk to the above hazards, one of the most significant challenges of the present research is the proposition and quantification of analytical methodologies to estimate the physical vulnerability and subsequently the risk of buildings subjected to tsunami forces, liquefaction-induced differential permanent displacements as well as combined ground shaking and liquefaction considering soil-structure interaction (SSI). Vulnerability is defined through probabilistic fragility and vulnerability curves or surfaces (when it is deemed appropriate) which allow for direct implementation within a probabilistic risk assessment framework. More specifically, an analytical methodology is proposed to derive tsunami fragility and vulnerability curves for buildings subjected to tsunami forces. It is shown that the height of the buildings, its structural typology (MRF or Dual) as well as the existence of masonry infill walls influence the building’s fragility due to tsunami. Moreover, an analytical assessment methodology for the vulnerability and risk assessment of buildings with shallow flexible foundation system subjected to liquefaction-induced differential permanent ground displacements is proposed, where possible initial damage to the building's structural members due to ground shaking is ignored. A further challenge of the present thesis is to investigate the complex issue of combined damages due to ground shaking and soil liquefaction to individual buildings considering SSI. An analytical methodology is proposed for the vulnerability and risk assessment of buildings on liquefiable soils subjected to combined ground shaking and liquefaction, based on a fully coupled numerical approach considering SSI. Two-dimensional incremental dynamic analysis (IDA) of the nonlinear SSI systems is conducted for the estimation of the fragility function parameters. A second set of IDA is also performed considering slope with a 5% grade to better examine the contribution of liquefaction-induced lateral spreading. The total height of the building is found to considerably influence its vulnerability to the earthquake-induced ground shaking and liquefaction. It is also observed that the studied buildings at slope conditions are found more vulnerable compared to the corresponding ones at level ground conditions, which is expected due to the occurrence of lateral spreading. To gain confidence on the proposed fragility functions developed in this thesis, representative fragility results are compared with corresponding literature ones and recorded building damages from real past events (tsunamis and earthquakes which caused extensive liquefaction and lateral spreading). A major contribution of the present research is also the proposition of predictive relationships between the maximum differential permanent ground displacements and the maximum permanent ground displacements vector at surface bellow buildings with shallow flexible foundation on soils at level ground or slope conditions subjected to combined ground shaking and liquefaction. Finally, a scenario seismic risk assessment in terms of economic losses due to the combined effect of ground shaking and liquefaction is applied to the buildings of Thessaloniki port to estimate the risk and increase its resilience. Through this application the applicability of the proposed methodological frameworks and the effectiveness of the respective fragility curves and surfaces is verified. The proposed fragility functions can be used within a probabilistic risk assessment framework to assess the vulnerability and risk of these type of buildings exposed to earthquake-induced tsunami or liquefaction differential displacements or ground shaking and liquefaction hazard along European-Mediterranean and other regions of similar facilities worldwide. Stakeholders can use them to evaluate efficiently the risk to their own structures and take appropriate measures to increase their resilience.

Οι φυσικοί κίνδυνοι που προκαλούνται από σεισμό, όπως σεισμική εδαφική ταλάντωση, ρευστοποίηση και τσουνάμι, μπορεί να αποδειχθούν καταστρεπτικοί για τις κατασκευές και αποτελούν σημαντική απειλή για τις ανθρώπινες ζωές. Η μετάβαση προς μια ασφαλέστερη και πιο ανθεκτική κοινωνία απαιτεί αποτελεσματικά εργαλεία εκτίμησης διακινδύνευσης τα οποία μπορούν να αξιοποιηθούν από τους αρμόδιους φορείς για τη θέσπιση ολοκληρωμένων στρατηγικών μείωσης των κινδύνων τόσο σε περιφερειακό επίπεδο όσο και σε τοπικό επίπεδο. Κύριος στόχος της διδακτορικής διατριβής αποτελεί η πρόταση και ποσοτικοποίηση αναλυτικών μεθοδολογιών για την αποτίμηση της τρωτότητας και διακινδύνευσης κτιρίων που υπόκειται είτε σε τσουνάμι, είτε σε διαφορικές μόνιμες μετακινήσεις λόγω ρευστοποίησης του εδάφους, ή σε συνδυασμένη σεισμική εδαφική ταλάντωση και ρευστοποίηση του εδάφους λαμβάνοντας υπόψη την δυναμική αλληλεπίδραση εδάφους-κατασκευής (ΔΑΕΚ). Η τρωτότητα εκφράζεται μέσω καμπυλών τρωτότητας σε όρους πιθανότητας υπέρβασης και σε όρους απωλειών ή μέσω επιφανειών τρωτότητας (όπου κρίνεται σκόπιμο). Πιο συγκεκριμένα, προτείνεται μια αναλυτική μεθοδολογία για την αποτίμηση της τρωτότητας κτιρίων που υπόκειται σε τσουνάμι. Αποδείχθηκε ότι το ύψος των κτιρίων, η δομική τους τυπολογία καθώς και η ύπαρξη τοιχοποιίας επηρεάζουν την τρωτότητα του κτιρίου λόγω τσουνάμι. Επιπλέον, προτείνεται μια αναλυτική μεθοδολογία για την εκτίμηση της τρωτότητας και διακινδύνευσης κτιρίων με εύκαμπτη θεμελίωση (μεμονωμένα πέδιλα) που υποβάλλονται σε διαφορικές μόνιμες μετατοπίσεις εδάφους που προκαλούνται από ρευστοποίηση του εδάφους, ενώ πιθανή αρχική βλάβη στα δομικά στοιχεία λόγω της σεισμικής εδαφικής ταλάντωσης δε λαμβάνεται υπόψη. Ένας ακόμη στόχος της παρούσας διατριβής είναι η πρόταση μιας αναλυτικής μεθοδολογίας εκτίμησης της τρωτότητας και διακινδύνευσης κτιρίων με εύκαμπτη θεμελίωση που εδράζονται σε ρευστοποιήσιμα εδάφη και υπόκεινται σε συνδυασμένη σεισμική εδαφική ταλάντωση και ρευστοποίηση λαμβάνοντας υπόψη τη ΔΑΕΚ. Για την εκτίμηση των παραμέτρων των καμπυλών τρωτότητας, πραγματοποιούνται διδιάστατες μη γραμμικές επαυξητικές δυναμικές αναλύσεις. Επιπλέον, πραγματοποιείται μια δεύτερη σειρά επαυξητικών δυναμικών αναλύσεων λαμβάνοντας υπόψη κλίση 5% ώστε να εξεταστεί καλύτερα η συμβολή της πλευρικής εξάπλωσης. Γενικά παρατηρείται ότι το ύψος του κτιρίου αποτελεί μια παράμετρο που μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την τρωτότητα του λόγω σεισμικής εδαφικής ταλάντωσης και ρευστοποίησης. Επιπλέον, παρατηρείται ότι τα υπό μελέτη κτίρια σε έδαφος επίπεδο αναμένεται να υποστούν λιγότερες βλάβες λόγω σεισμικής εδαφικής ταλάντωσης και ρευστοποίησης συγκριτικά με αυτά σε έδαφος κεκλιμένο λόγω της έντονης πλευρικής εξάπλωσης, η οποία συνεπάγεται σημαντικές διαφορικές εδαφικές μετακινήσεις. Η αξιοπιστία των προτεινόμενων συναρτήσεων τρωτότητας επαληθεύεται μέσω της σύγκρισης αντιπροσωπευτικών αποτελεσμάτων με σχετικές καμπύλες της βιβλιογραφίας και δεδομένα από βλάβες σε κτίρια λόγω αυτών των φυσικών κινδύνων. Σημαντική συμβολή της διατριβής είναι επίσης η πρόταση σχέσεων μεταξύ των μέγιστων διαφορικών μόνιμων εδαφικών μετακινήσεων στο επίπεδο θεμελίωσης και της μόνιμης εδαφικής μετατόπισης στην επιφάνεια του εδάφους κάτω από κτίρια με εύκαμπτη θεμελίωση που υπόκεινται σε σεισμική εδαφική ταλάντωση και ρευστοποίηση, όταν εδράζονται σε επίπεδο έδαφος ή σε κεκλιμένο. Τέλος, εκτιμάται η διακινδύνευση σε όρους οικονομικών απωλειών λόγω της συνδυασμένης δράσης της σεισμικής εδαφικής ταλάντωσης και ρευστοποίησης στα κτίρια του λιμανιού της Θεσσαλονίκης. Μέσω αυτής της εφαρμογής, επαληθεύεται η δυνατότητα εφαρμογής των προτεινόμενων μεθοδολογικών πλαισίων και η αποτελεσματικότητα των εκτιμώμενων καμπυλών και επιφανειών τρωτότητας. Οι προτεινόμενες συναρτήσεις τρωτότητας μπορούν να βρουν άμεση εφαρμογή σε ένα πιθανοτικό πλαίσιο εκτίμησης της διακινδύνευσης λόγω σεισμικής εδαφικής ταλάντωσης και ρευστοποίησης αντίστοιχων τυπολογιών κτιρίων στην Ελλάδα και στη Νότια Ευρώπη. Οι αρμόδιοι φορείς μπορούν να τις αξιοποιήσουν για την εκτίμηση της διακινδύνευσης των κτιρίων υπό την ευθύνη τους με στόχο την ενίσχυση της ανθεκτικότητας τους.