University of Patras accelerographic network (UPAN): installation, database development and analyses of recordings

The main objective of the present Doctoral Thesis was the installation and operation of an urban accelerograph network (University of Patras Accelerograph Network, UPAN) in the coastal city of Patras (population: 160.400), Greece, as well as the processing of the pertinent earthquake recordings, with the aim to advance the level of knowledge on the subject of the experimental evaluation of local soil effects on seismic ground response. A secondary objective of the Thesis was the compilation of site-specific data that can be utilized in evaluating the seismic hazard for the city of Patras.The UPAN has been installed and maintained by utilizing the resources of the Laboratory of Geotechnical Engineering, Dept. of Civil Engineering, University of Patras, Greece. At its present stage of development (January 2015) UPAN is comprised of eight high-resolution triaxial accelerographs and a vertical array of triaxial accelerometers placed at depths of 0.0m, -20.0m, -34.0m and -72.0m from ground surface. The network covers an urban area of 25km2 and the locations of accelerograph stations were selected such that the varying local soil conditions with increasing distances from the sea front were covered. A data set of 512 earthquake recordings (2084 component records) were utilized in the Thesis, with magnitudes, ML, ranging from 1.1 to 6.8, epicentral distances, Repi, from 0.67km to 400km, and azimuths from 0° to 360°, measured from the center of the city. The results of data processing (mainly the results of horizontal network) were utilized for (a) calculating the response spectra of recorded horizontal and vertical motion (as well as Fourier spectra) at the locations of 8 surface accelerographs and comparing them with the design spectra of EC-8 (for corresponding soil categories), (b) establishing the local PGA attenuation of peak horizontal earthquake surface motion vs. distance, and making comparisons to published attenuation relationships for the Hellenic territory, (c) calculating the H/V spectral ratios (using response instead Fourier spectra) at the locations of 8 surface accelerographs –for earthquake as well as microtremor motions- and studying the effects of site stratigraphy and seismic parameters on the shape and amplitude of H/V spectra and (d) studying the effect of intensity of motion (i.e. PGA) on the development and manifestation of soil no-linearity.In the framework of the Thesis the shallow (to a depth of ~80m) structure under the urban area was established by in-situ Vs measurements (SASW, MASW, ReMi). By using spatial interpolation a 3-D Vs-depth model was developed which allowed the estimation of Vs30 and soil categorization at any location of the urban area. Laboratory resonant column tests were also performed to establish the non-linear soil behavior, i.e. G/G0-γc and D-γc curves. In addition, by applying the SASW method in a novel way, i.e. by using earthquake shaking as a source and accelerograph pairs - collinear with the earthquake source - as receivers, the deep structure under the city (to depth of 10km) was established. By spatial interpolation a deep 3-D Vs-depth model was developed which was combined with the shallow 3-D model to produce a 3-D Vs digital model for the city that provides values of Vs from ground surface to depths of several kilometers, at any point of the urban area.The results of measurements and analyses performed in the framework of the Thesis can be summarized as follows:1. The comparison of measured normalized acceleration response spectra in the urban area of Patras to the EC-8 design spectra (for the same soil categories) indicates that a revision of the code may be necessary (spectral shape, soil categorization and soil factor), especially for Type-2 earthquakes.2. The measured attenuation of motion (PGA) in the area of Patras shows a differentiation (predicts lower values of PGA) with respect to attenuation relations published for the Hellenic territory.3. The H/V spectral ratio (utilizing earthquakes recordings) provides values of predominant (and secondary) site periods that - in addition to local soil conditions - may be affected by the earthquake magnitude and distance, and the intensity and orientation of recordings. The results also indicate that the depth to bedrock at a site - which is a crucial parameter when analyzing the site response - should be estimated on the basis of the experimental values of predominant period, Τ0, and the Vs vs. depth relation, and not by adopting a specific and standardized value of Vs (i.e. Vs=800m/sec) as representing bedrock conditions.4. The H/V spectral ratio based on microtremor recordings may lead to erroneous assessment of site predominant period. This is due to the inability of ground motion of very small intensity to excite the oscillation of deep soil columns.5. The soil non-linearity starts manifesting itself for intensities of horizontal ground motion >0.05g. However, the no-linear behavior becomes pronounced for intensities >0.08g.Το αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής ήταν η εγκατάσταση και λειτουργία ενός αστικού δικτύου επιταχυνσιογράφων (αστικό δίκτυο επιταχυνσιογράφων της Πάτρας, UPAN) στην παραθαλάσσια πόλη της Πάτρας (πληθυσμός: 160.400), καθώς και η επεξεργασία των σχετικών σεισμικών καταγραφών, με στόχο την προώθηση της γνώσης σχετικά με το θέμα της πειραματικής διερεύνησης της επίδρασης των τοπικών εδαφικών συνθηκών στην σεισμική απόκριση του εδάφους. Δευτερεύων στόχος της Διατριβής ήταν η απόκτηση δεδομένων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην εκτίμηση της σεισμικής επικινδυνότητας για την πόλη της Πάτρας.Το UPAN έχει εγκατασταθεί και συντηρείται με την αξιοποίηση των πόρων του Εργαστηρίου Γεωτεχνικής Μηχανικής, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, Πάτρα. Στο παρόν στάδιο της ανάπτυξής του (Ιανουάριος 2015) το UPAN αποτελείται από οκτώ τριαξονικούς επιταχυνσιογράφους υψηλής ανάλυσης και μια κατακόρυφη διάταξη τριαξονικών επιταχυνσιογράφων τοποθετημένων σε βάθη 0.0m, -20.0m, -34.0m και -72.0m, από την επιφάνεια του εδάφους. Το δίκτυο καλύπτει αστική περιοχή 25km2 και οι θέσεις των σταθμών επιλέχθηκαν έτσι ώστε να καλύπτονται οι μεταβλητές τοπικές εδαφικές συνθήκες της πόλης με την αύξηση της απόστασης από το θαλάσσιο μέτωπο.Στην παρούσα Διατριβή έγινε αξιοποίηση δεδομένων σεισμικών καταγραφών (2084 σεισμικές καταγραφές συνιστωσών) από 512 σεισμούς, με μέγεθος ML, που κυμαίνεται από 1.1 έως 6.8, επικεντρική απόσταση, Repi, από 0.67km έως 400km, και αζιμούθιο από 0° έως 360° (μετρούμενο από το κέντρο της πόλης). Τα αποτελέσματα της επεξεργασίας των δεδομένων (κυρίως τα αποτελέσματα των οριζόντιου δικτύου επιταχυνσιογράφων) χρησιμοποιήθηκαν για (α) τον υπολογισμό των φασμάτων απόκρισης της καταγραφείσας οριζόντιας και κατακόρυφης κίνησης (καθώς και των φασμάτων Fourier) στις θέσεις των 8 επιφανειακών επιταχυνσιογράφων και τη σύγκρισή τους με τα φάσματα σχεδιασμού του EC-8 (για τις αντίστοιχες κατηγορίες του εδάφους), (β) την μελέτη της τοπικής εξασθένησης PGA της μέγιστης οριζόντιας σεισμικής κίνησης σε σχέση με την απόσταση, και τη σύγκριση με δημοσιευμένες σχέσεις εξασθένησης για την Ελληνική επικράτεια, (γ) τον υπολογισμό του φασματικού λόγου H/V (με χρήση φασμάτων απόκρισης αντί φασμάτων Fourier) στις 8 θέσεις των επιφανειακών επιταχυνσιογράφων - για σεισμικές καταγραφές καθώς και καταγραφές μικροθορύβου - και τη μελέτη της επίδρασης της τοπικής στρωματογραφίας και των σεισμικών παραμέτρων σχετικά με το σχήμα και το πλάτος του φασματικού λόγου H/V και (δ) τη μελέτη της επίδρασης της έντασης της κίνησης (δηλαδή της τιμής PGA) στην ανάπτυξη και την εκδήλωση της μη-γραμμικότητας του εδάφους.Στα πλαίσια της Διατριβής η επιφανειακή (σε βάθος ~80m) δομή κάτω από την αστική περιοχή προσδιορίστηκε από επί-τόπου μετρήσεις Vs (SASW, MASW, Remi). Με χωρική παρεμβολή αναπτύχθηκε 3-D μοντέλο Vs, το οποίο επέτρεψε την εκτίμηση της τιμής Vs30 και την κατηγοριοποίηση του εδάφους σε οποιαδήποτε θέση του αστικού χώρου. Πραγματοποιήθηκαν επίσης εργαστηριακές δοκιμές συντονισμού με σκοπό να καθοριστεί η μη-γραμμική συμπεριφορά του εδάφους, δηλαδή οι καμπύλες G/G0-γc και D-γc. Επιπλέον, μέσω πρωτότυπης εφαρμογής της μεθόδου SASW, δηλαδή με χρήση των σεισμικών γεγονότων ως πηγές κυμάτων και ζεύγη επιταχυνσιογράφων - συγγραμμικά με την πηγή του σεισμού - ως δέκτες, προσδιορίσθηκε η βαθιά δομή κάτω από την πόλη (με βάθος 10 χιλιομέτρων). Με χρήση της μεθόδου χωρικής παρεμβολής αναπτύχθηκε ένα βαθύ 3-D μοντέλο Vs-βάθος, το οποίο σε συνδυασμό με το επιφανειακό μοντέλο 3-D οδήγησε στην παραγωγή ενός ψηφιακού μοντέλου 3-D Vs για την πόλη που παρέχει τιμές Vs, από την επιφάνεια του εδάφους έως βάθος αρκετών χιλιομέτρων, σε οποιοδήποτε σημείο της αστικής περιοχής.Τα αποτελέσματα των μετρήσεων και αναλύσεων που διεξήχθησαν στα πλαίσια της παρούσας Διατριβής μπορούν να συνοψιστούν ως εξής:1. Η σύγκριση των καταγραμμένων κανονικοποιημένων φασμάτων απόκρισης επιτάχυνσης στην αστική περιοχή της Πάτρας με τα αντίστοιχα φάσματα σχεδιασμού του EC-8 (για τις ίδιες κατηγορίες εδάφους) υποδεικνύει ότι ενδέχεται να είναι αναγκαία η αναθεώρηση του κανονισμού (φασματική μορφή, κατηγοριοποίηση του εδάφους και δείκτης εδάφους), ειδικά για σεισμούς Τύπου-2.2. Η καταγραμμένη εξασθένηση της κίνησης (PGA) στην περιοχή της Πάτρας υποδεικνύει διαφοροποίηση (προβλέπει χαμηλότερες τιμές της PGA) σε σχέση με δημοσιευμένες σχέσεις εξασθένησης της Ελληνική επικράτειας.3. Ο φασματικός λόγος H/V (χρησιμοποιώντας σεισμικές καταγραφές) παρέχει τιμές για την δεσπόζουσα (και δευτερεύουσες) περίοδο της εξεταζόμενης θέσης που - εκτός από τις τοπικές εδαφικές συνθήκες - μπορεί να επηρεαστεί από το σεισμικό μέγεθος και την απόσταση, αλλά και την ένταση και τον προσανατολισμό των καταγραφών. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν επίσης ότι το βάθος του βραχώδους υποβάθρου σε μια περιοχή - το οποίο θεωρείται κρίσιμη παράμετρος στις αναλύσεις εδαφικής απόκρισης - θα πρέπει να υπολογίζεται με βάση τις πειραματικές τιμές της δεσπόζουσας περιόδου, Τ0, σε συνδυασμό με την καμπύλη Vs-βάθος, και όχι υιοθετώντας συγκεκριμένη και τυποποιημένη τιμή Vs (π.χ. Vs=800m/sec) ως αντιπροσωπευτικές συνθήκες υποβάθρου.4. Ο φασματικός λόγος H/V με βάση τις καταγραφές μικροθορύβου είναι δυνατό να οδηγήσουν σε λανθασμένη εκτίμηση της δεσπόζουσας περιόδου. Αυτό οφείλεται στην αδυναμία των σεισμικών κινήσεων μικρής έντασης να διεγείρουν την ταλάντωση βαθύτερων εδαφικών στηλών.5. Η μη-γραμμικότητα του εδάφους αρχίζει να εμφανίζεται για ένταση οριζόντιας εδαφικής κίνησης >0.05g. Εν τούτοις, η μη-γραμμική συμπεριφορά γίνεται περισσότερο εμφανής για εντάσεις >0.08g