Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6986
Main Title: Studying soil-structure interaction effects
Subtitle: advanced joint analysis of borehole and building seismic data
Translated Title: Untersuchung der Wirkungen von Boden-Bauwerk-Interaktionen
Translated Subtitle: erweiterte gemeinsame Analyse von Bohrloch- und Gebäudedaten
Author(s): Petrovic, Bojana
Advisor(s): Petryna, Yuri
Referee(s): Petryna, Yuri
Dikmen, Ümit
Parolai, Stefano
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Since earthquakes can neither be prevented nor predicted, in order to reduce damage to the built environment and human losses, the fundamental goal is to improve the design of buildings. For this purpose, variations in ground motion over short distances during earthquakes arising from both site effects (modifications of the ground motions due to changes in the shallow geological layers) and soil-structure interaction (SSI, influence of built structures in modifying the ground motion during earthquake shaking) have to be better understood and integrated in seismic hazard and risk assessment. In urban areas, SSI is not limited to interactions between a single building and the soil, but is extended to interactions between the city as a whole and the soil, the so-called site-city interactions (SCI). Until now, these effects were mainly studied by 2D and 3D numerical simulations, which are usually based on very simplified representations of the distribution of the buildings and their coupling with the soil, with only a limited number of analyses based on real data sets being carried out in order to investigate this topic. Studies of the wave propagation in buildings and through the soil based on real data sets were usually carried out separately. Studying and understanding the wave propagation through building-soil layers and investigating the interactions that take place is possible only if real data recorded simultaneously by sensors installed in a building and borehole are analyzed jointly. In this thesis, in order to tackle the problem of understanding soil-structure interactions (i.e., modifications of the wave field generated actively through structural vibrations and passively through scattering and diffraction by the presence of a built structure) in more detail, first, the wave propagations through the soil and buildings are analyzed separately in order to identify their main influences on the wave field and to help with the interpretation of the results derived from the innovative joint analysis proposed here. Note that this analysis is shown to provide a more comprehensive view of the wave propagation through the building and soil and the effects of their interaction. The novel approach outlined in this study, the so-called joint deconvolution, analyzes jointly recordings of sensors installed in a borehole and a nearby building. It makes it possible to study the wave propagation through the soil to the building and back under different levels of shaking. In particular, it allows the real seismic input and the wave field being radiated back from a building to the soil to be reconstructed and thus, the energy that is released back from the building to the soil to be quantified. This capacity to extract correctly both the incoming energy and that radiated back using the joint recordings inside the soil and in the building is, amongst others, the main theoretical contribution of this work. After a validation of the novel approach using synthetic data, three studies (in Bishkek, Kyrgyzstan; Istanbul, Turkey and Mexico City, Mexico) of real data sets recorded by downhole installations and building sensors have been carried out and the results are presented in this thesis. These three test cases include different soil conditions and building construction types. Since the impedance contrasts between the buildings and the soil are different, as well as the wave propagation velocities in the subsurface and through the built structures, different building-soil couplings should be expected. For all three test cases, the energy radiated back from the building to the soil was estimated by the new method, and the estimated amount of energy radiated back was found to be not negligible (e.g., for the Bishkek case, at 145 m depth, 10-15% of the estimated real input energy is expected to be from the building, for Istanbul at 50 m depth, this value is also 10-15%, while for Mexico City at 45 m depth, it is 25-65% of the estimated real input energy). The presented study shows the influence of buildings in modifying ground motion during earthquake shaking. If energy is radiated back from a building into the soil, it will also affect the behavior of the buildings located nearby. The potential of the method in analyzing the interactions between individual buildings and the soil by real data sets was demonstrated. The presented method and its appropriate modifications in the future also appear promising for studying more complicated cases, from building-building interactions through the soil up to site-city interactions. This offers the possibility to investigate how the waves generated by each individual built structure can interfere with each other, resulting in increased/decreased hazard. This can depend on the positions of the buildings and the urban geometry, therefore, offering the opportunity to optimize them in order to reduce seismic risk in the future. Furthermore, once the full physical mechanism of soil-structure interactions is understood, if included and integrated in a statistical framework consistent with probabilistic seismic hazard and risk assessment, improved estimations of seismic hazard and risk would be possible.
Da Erdbeben weder verhindert noch vorhergesagt werden können, besteht das grundlegende Ziel darin, das Design von Gebäuden zu verbessern, um somit den Schaden an Bauwerken und die Anzahl an Menschenopfern zu verringern. Daher müssen Änderungen der Bodenbewegung über kurze Strecken während Erdbeben, die sowohl aufgrund von Standorteffekten (Modifikationen der Bodenbewegungen aufgrund von Änderungen der oberflächennahen geologischen Schichten) als auch aufgrund von Boden-Bauwerk-Interaktion (soil-structure interaction, SSI, Einfluss von Bauwerken auf die Bodenbewegung während Erdbeben) entstehen, besser verstanden und in die Abschätzung von seismischer Gefährdung und Risiko integriert werden. In städtischen Gebieten ist die SSI nicht auf Wechselwirkungen zwischen einzelnen Gebäuden und dem Boden beschränkt, sondern auf die Wechselwirkungen zwischen der Stadt als Ganzes und dem Boden, die sogenannte Standort-Stadt-Interaktion (site-city interaction, SCI), erweitert. Bisher wurden diese Effekte überwiegend durch 2D und 3D numerische Simulationen untersucht, die in der Regel auf sehr vereinfachten Darstellungen der Gebäudeverteilung und ihrer Kopplung mit dem Boden beruhen. Nur eine begrenzte Anzahl von Untersuchungen wurde bisher basierend auf Messdatensätzen durchgeführt, um dieses Thema zu erforschen. Analysen der Wellenausbreitung in Gebäuden und durch den Untergrund basierend auf Messdatensätzen wurden bisher in der Regel separat durchgeführt. Die Wellenausbreitung durch Gebäude-Untergrund-Schichten, sowie die auftretenden Wechselwirkungen zu untersuchen und zu verstehen, ist nur dann möglich, wenn Messdaten von Sensoren, die in einem Gebäude und einem Bohrloch installiert sind, gemeinsam analysiert werden. In dieser Arbeit wird, um das Problem des Verständnisses von Boden-Bauwerk-Interaktion (d.h. Modifikationen des aktiv durch Schwingungen des Bauwerks und des passiv durch Streuung und Diffraktion durch das Vorhandensein des Bauwerks erzeugten Wellenfeldes) näher zu erläutern, zunächst die Wellenausbreitung durch den Untergrund und das Gebäude separat analysiert, um ihren Haupteinfluss auf das Wellenfeld zu identifizieren und somit später bei der Interpretation der Ergebnisse zu helfen, die sich aus der hier vorgeschlagenen innovativen gemeinsamen Analyse ergeben. Man beachte, dass diese Untersuchung gezeigt hat, dass sie eine umfassendere Betrachtung der Wellenausbreitung durch das Gebäude und den Untergrund sowie die Auswirkungen ihrer Wechselwirkung liefert. Der in dieser Arbeit entworfene neue Ansatz, die sogenannte „joint deconvolution“, ermöglicht es, Aufzeichnungen von Sensoren, die in einem Bohrloch und einem nahe gelegenen Gebäude installiert sind, gemeinsam zu analysieren. Die Wellenausbreitung durch den Untergrund zu dem Gebäude und zurück kann somit unter verschiedenen Erschütterungsniveaus untersucht werden. Insbesondere ermöglicht die neue Methode, den realen seismischen Eingang und das Wellenfeld, das von einem Gebäude an den Untergrund zurückgestrahlt wurde, zu rekonstruieren, und somit die Energie, die vom Gebäude wieder an den Boden zurückgegeben wurde, zu quantifizieren. Die Fähigkeit, sowohl die eingehende Energie als auch die vom Gebäude abgestrahlte, anhand gemeinsamer Auswertung von Aufzeichnungen der Boden- und Gebäudebewegung korrekt zu extrahieren, ist einer der wichtigsten theoretischen Beiträge dieser Arbeit. In dieser Arbeit wurden nach einer Validierung der neuartigen Methode mit synthetischen Daten, drei Studien (in Bischkek, Kyrgyzstan; Istanbul, Türkei und Mexiko City, Mexiko) basierend auf Messdatensätzen von Bohrloch- und Gebäudesensoren, durchgeführt. Diese drei Testfälle umfassen unterschiedliche Bodenverhältnisse und Bauformen. Da die Impedanzkontraste zwischen den Gebäuden und dem Untergrund unterschiedlich sind, sowie die Wellenausbreitungsgeschiwindigkeiten, sind unterschiedliche Bauwerk-Untergrund-Koppelungen zu erwarten. Für alle drei Testfälle konnte die von dem Gebäude in den Untergrund zurückgestrahlte Energie durch die neue Methode abgeschätzt werden und diese abgeschätzte Menge der zurückgestrahlten Energie ist nicht vernachlässigbar (z.B. für Bishkek entspricht auf 145 m Tiefe 10-15% der bestimmten Energie des realen Inputs der vom Gebäude abgestrahlten Energie, für Istanbul entspricht dieser Wert auf 50 m Tiefe ebenso 10-15%, während für Mexico City dieser auf 45 m Tiefe 25-65% der Energie des realen Inputs entspricht. Die vorliegende Studie zeigt den Einfluss von Gebäuden auf die Veränderung der Bodenbewegung während Erdbeben. Wenn Energie von einem Gebäude in den Boden zurückgestrahlt wird, wird dies auch das Verhalten der Gebäude, die sich in der Nähe befinden, beeinflussen. Das Potenzial des Verfahrens zur Analyse der Wechselwirkungen zwischen einzelnen Gebäuden und dem Untergrund wurde anhand von Messdatensätzen gezeigt. Die hier vorgestellte Methode und entsprechende Modifikationen dieser, die in Zukunft durchgeführt werden sollten, scheinen vielversprechend, um auch kompliziertere Fälle, von der Gebäude-Gebäude-Interaktion durch den Untergrund bis hin zu Standort-Stadt-Interaktion, zu untersuchen. Dies bietet die Möglichkeit, zu ermitteln, wie die Wellen, die durch jedes einzelne Bauwerk erzeugt werden, interferieren können, was zu erhöhter/verminderter Gefährdung führt. Dies kann von den Positionen der Gebäude und der Geometrie der Stadt abhängen und bietet daher die Möglichkeit, diese zu optimieren, um künftig seismisches Risiko reduzieren zu können. Sobald der vollständige physikalische Mechanismus der Boden-Bauwerk-Interaktion verstanden werden kann, wäre eine verbesserte Abschätzung der seismischen Gefährdung und des Risikos möglich, wenn diese Informationen in einen statistischen Rahmen einbezogen werden, der mit der probabilistischen seismischen Gefährdungs- und Risikobewertung konsistent ist.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7811
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6986
Exam Date: 20-Jul-2017
Issue Date: 2018
Date Available: 17-May-2018
DDC Class: 550 Geowissenschaften
620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): soil-structure interaction
wave propagation
joint deconvolution
seismic input
back radiated energy
Boden-Bauwerk-Interaktion
Wellenausbreitung
seismischer Input
zurückgestrahlte Energie
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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