Εδαφική Ενίσχυση στον Σεισμό Tokachi Oki 2003: Ανάλυση Καταγραφών Επιφανείας και Μεγάλου Βάθους

Transcript

1 Εδαφική Ενίσχυση στον Σεισμό Tokachi Oki 3: Ανάλυση Καταγραφών Επιφανείας και Μεγάλου Βάθους Soil Amplification during the 3 Tokachi Oki Earthquake: Analysis of Surface and Bedrock Recordings ΖΙΩΤΟΠΟΥΛΟΥ, Α.. Πολιτικός Μηχανικός, Υποψήφια Διδάκτωρ, Ε.Μ.Π. ΓΚΑΖΕΤΑΣ, Γ. Πολιτικός Μηχανικός, Καθηγητής, Ε.Μ.Π. TAZOH, T. Πολιτικός Μηχανικός, Deputy Manager, Shimizu Institute of Technology ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Έξι ζεύγη επιταχυνσιογράφων εγκατεστημένων σε καίριες θέσεις της νήσου Hokkaido της Ιαπωνίας κατέγραψαν την δόνηση από το σεισμό Μ7.9 στην εδαφική επιφάνεια και στον "θέσει" βράχο, σε μεγάλο βάθος ( >m). Η εντονότατη ενίσχυση του κραδασμού, τόσο ως προς την ένταση και ως προς τα φασματικά χαρακτηριστικά, αποκαλύπτεται μεγαλειωδώς στις εν λόγω καταγραφές, αναπαράγεται δε με ικανοποιητική (εν γένει) επιτυχία μέσω αναλύσεων της μονοδιάστατης ισοδύναμης-γραμμικής απόκρισης του κάθε εδαφικού σχηματισμού. ABSTRACT : Six pairs of strong-motion seismographs placed at key locations in Hokkaido Island in Japan recorded the earthquake ground motions during the M7.9 earthquake at the ground surface and the engineering "rock", at depths greater than m. The intense amplification of the motions, in terms of intensity and spectral characteristics, is greatly manifested by the recordings under discussion and is satisfactorily reproduced through one-dimensional equivalent-linear analyses of each soil profile.. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η επίδραση των εδαφικών συνθηκών στην ένταση και το συχνοτικό περιεχόμενο των σεισμικών καταγραφών στο ελεύθερο πεδίο έχει μελετηθεί εκτενώς κατά τη διάρκεια των τελευταίων χρόνων. Σήμερα είναι πλέον σαφές και γενικά αποδεκτό ότι ένα συγκεκριμένο επιταχυνσιογράφημα στην επιφάνεια ενός εδαφικού προφίλ αντικατοπτρίζει σε ένα βαθμό τα χαρακτηριστικά των εδαφικών στρωμάτων σε μικρά βάθη καθώς και ότι η ένταση της σεισμικής κίνησης μειώνεται γενικώς με το βάθος. Παλαιότερες αμφιβολίες περί της σημασίας τέτοιων φαινομένων έχουν ξεπεραστεί και αναλυτικές μεθοδολογίες έχουν αναπτυχθεί ώστε να ποσοτικοποιηθεί το πρόβλημα, χάρη στην ύπαρξη πλέον πολυάριθμων καταγραφών. Ωστόσο και πάλι δεν είναι αρκετά εύκολη η πρόβλεψη της εδαφικής απόκρισης. Είναι πλέον πολύ πιθανόν ότι η βάση του προβλήματος έγκειται στη δυσκολία της εκτίμησης των κυμάτων που διαδίδονται κατά τη διάρκεια μιας πιθανής σεισμικής διέγερσης. Οι διαθέσιμοι αλγόριθμοι είναι βασισμένοι στην υπόθεση ότι τα κύματα είναι μόνον διατμητικά (S) και διαδίδονται κατακορύφως (σε μία διάσταση). H θεώρηση αυτή ωστόσο τείνει να οδηγήσει σε μία υπερεκτίμηση της εδαφικής ενίσχυσης σε ένα μικρό εύρος συχνοτήτων, κάτι που δεν απαντάται πάντοτε στη φύση. Ο μεγέθους M=7.9 σεισμός Tokachi-Oki που έλαβε χώρα το 3 ανοιχτά (απόσταση > km) του Hokkaido έδωσε ένα ιστορικής σημασίας πλήθος καταγραφών. Ο στόχος του παρόντος άρθρου είναι να παρουσιάσει μία αξιολόγηση της θεωρίας της μονοδιάστατης ενίσχυσης εδαφικού κραδασμού με τη βοήθεια καταγραφών σε 4 σταθμούς εγκατεστημένους στην νήσο Hokkaido κατά τη διάρκεια του σεισμό Tokachi-Oki του 3. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 9/9 /, Βόλος

2 Station Code Site Latitude Site Longitude Max. Acc. ( gal ) Epicentral Dist. Site Name KSRH N 44.63E km SHIBECHA N KSRH 43.N 45.E km HAMANAKA NMRH 43.67N 44.97E km SHIBETSU S KSRH N 44.33E 5. 5 km TSURUI S TKCH N 43.6E km TAIKI NMRH N 45.3E km BEKKAI E TKCH 5 43.N 43.6E km HONBETSU KSRH 43.N 44.3E km AKAN S TKCH 7 4.8N 43.5E km TOYOKORO KSRH N 43.99E km SHIRANUKA S IBUH N 4.87E km ATSUMA TKCH 4.87N 4.89E km SHIMIZU KKWH N 4.66E km SHIMUKAPPU HDKH N 4.36E km SHIZUNAI Πίνακας : Οι 4 σταθμοί που έδωσαν καταγραφές στο βραχώδες υπόβαθρο και στην επιφάνεια του εδάφους. Table : The 4 stations that recorded time histories in the bedrock and the ground surface. Επιταχυνσιογράφοι εγκατεστημένοι στην επιφάνεια και στο βράχο έχουν καταγράψει χρονοιστορίες σε διάφορες τοποθεσίες (Σχήματα και ) με απόσταση από το επίκεντρο να κυμαίνεται μεταξύ 9 και 3 km. Χρησιμοποιώντας τα επιταχυνσιογραφήματα στη βάση ως διεγέρσεις και με βάση τη θεωρία της μονοδιάστατης απόκρισης εδαφικών σχηματισμών (Gazetas and Bianchini, 979) υπολογίσαμε την απόκριση 6 επιλεγμένων προφίλ και τη συγκρίναμε με την καταγραφείσα. Σχήμα. Γεωμορφολογικός χάρτης της περιοχής που επλήγει από το σεισμό Tokachi- Oki. Figure. Geomorphological map of the area affected by the Tokachi-Oki earthquake. O ΣΕΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΟΙ ΚΑΤΑΓΡΑΦΕΣ Στις 6 Σεπτεμβρίου 3 ένας ισχυρός σεισμός έπληξε την νήσο Hokkaido στην Ιαπωνία. Το επίκεντρο του σεισμού τοποθετήθηκε 8km περίπου ανατολικά - νοτιο-ανατολικά του Erimo Cape, στα ανοιχτά του Hokkaido. Το βάθος της εστίας ήταν 4km και το μέγεθος του σεισμού 7.9 ( ). Ο σεισμός επηρέασε περιοχές σε μήκος 4 km στις ακτές του νοτίου και νοτιο-ανατολικού Hokkaido. Ο κύριος σεισμός προκάλεσε κύματα τσουνάμι τα οποία έφτασαν σε ύψος 4m. Ωστόσο παρά το μέγεθος του σεισμού και παρά τα υψηλά επίπεδα εδαφικών επιταχύνσεων που καταγράφηκαν, οι παρατηρηθείσες εδαφικές αστοχίες, τα φαινόμενα ρευστοποίησης και οι αστοχίες σε δομικά στοιχεία, λιμάνια και υπόγειους αγωγούς ήταν εξαιρετικά περιορισμένες. Ο σεισμός ήταν ο πρώτος μεγάλος σεισμός που καταγράφηκε από τα ιαπωνικά δίκτυα K- NET (659 σταθμοί) και Kik-Net (34 σταθμοί) τα οποία είχαν εγκατασταθεί αμέσως μετά τον σεισμό του Kobe του 995. Τα δίκτυα περιλαμβάνουν ψηφιακούς επιταχυνσιογράφους υψηλής ακριβείας, μεγάλου εύρους συχνοτήτων και επιταχύνσεων (μέχρι και g). 4 από τους σταθμούς των δικτύων στο νησί Hokkaido που έδωσαν καταγραφές τόσο στην επιφάνεια όσο 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 9/9 /, Βόλος

3 Σχήμα. Χάρτης με τις τοποθεσίες των 4 σταθμών του δικτύου Kik-Net και το επίκεντρο του σεισμού. Figure. Map of the locations of the 4 recording stations of the Kik-Net network and the epicenter of the earthquake. και στο "βραχώδες" υπόβαθρο αξιοποιούνται στην παρούσα έρευνα. Το Σχήμα παρουσιάζει τις θέσεις τους και ο Πίνακας συνοψίζει τα βασικά χαρακτηριστικά τους. Από τις καταγραφές αυτές επιλέχθηκαν έξι. Τα Σχήματα 4 και 5 παρουσιάζουν τα 6 προφίλ που αναλύονται στο παρόν μαζί με τις χρονοϊστορίες των καταγραφών. Οι εμφανώς αυξημένες επιταχύνσεις στην επιφάνεια είναι μια πρώτη ένδειξη ισχυρής επίδρασης του εδάφους στον σεισμικό κραδασμό. Τα αντίστοιχα "δίδυμα" φάσματα αποκρίσεως των 6 θέσεων δίδονται στο Σχήμα 3 και δείχνουν πόσο δραματική είναι η αύξηση της δόνησης από τον "βράχο" στην επιφάνεια. 3. ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 3. Μέθοδος Ανάλυσης Τα προφίλ προσομοιώθηκαν ως μονοδιάστατα και αναλύθηκαν με την ισοδύναμη γραμμική ελαστική μέθοδο (Schnabel et al., 97). Η μονοδιάσταση ανάλυση είναι ευρέως χρησιμοποιούμενη σε τέτοιου είδους προσομοιώσεις. Οι βασικές της παραδοχές είναι ότι τα σύνορα των εδαφικών σχηματισμών είναι οριζόντια και ότι η διέγερση του εδαφικού προφίλ προέρχεται κατά κύριον λόγον από τη διάδοση SH κυμάτων τα οποία διαδίδονται κατακορύφως από το βραχώδες υπόβαθρο. Κατ' επέκταση θεωρούμε ότι τα στρώματα εκτείνονται απεριόριστα στην οριζόντια διεύθυνση. Αν και απλούστερη και σαφώς βασισμένη σε πολύ απλοποιητικές παραδοχές η ισοδύναμη γραμμική μέθοδος έχει υπάρξει πολύ επιτυχής στο παρελθόν και χρησιμοποιείται ευρέως ακόμα. 3. Αποτελέσματα και Σύγκριση με καταγραφές Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται σε όρους φασμάτων επιταχύνσεως στην επιφάνεια του κάθε προφίλ (Σχήματα 6 και 7). Δεν έγινε προσπάθεια προσομοίωσης με μήκατακόρυφα διατμητικά κύματα. Δεδομένου του εστιακού βάθους του σεισμού (4 km) είναι εύλογο να περιμένει κανείς ότι σε μια τοποθεσία αρκετά χιλιόμετρα μακριά απο το επίκεντρο, τα διατμητικά κύματα που ταξιδεύουν διαμέσου του βραχώδους υποβάθρου σε γωνίες μεγαλύτερες από (ως προς τον κατακόρυφο άξονα) φέρουν μόνον μικρό μέρος της συνολικής ενέργειας 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 9/9 /, Βόλος 3

4 SA ( m / s ) 6 4 KSRH 3 SA ( m / s ).5.5 TKCH SA ( m / s ) 3 NMRH SA ( m / s ).5 KKWH TKCH 8 HDKH 6 SA ( m / s ) SURFACE "ROCK" ~ m SA ( m / s ) Period T (sec) Period T (sec) Σχήμα 3. Φάσματα επιταχύνσεων στο βραχώδες υπόβαθρο και στην επιφάνεια των 6 εδαφικών προφίλ που μελετώνται στην παρούσα εργασία. Figure 3. Acceleration spectra at the bedrock and the surface of the 6 profiles studied herein. των σεισμικών κυμάτων και άρα λίγο επηρεάζουν την απόκριση των επιφανειακών σχηματισμών. Επίσης, διατμητικά κύματα τα οποία προσπίπτουν στην βάση ενός εδαφικού προφίλ με γωνίες μικρότερες των καταλήγουν (λόγω διαδοχικών διαθλάσεων στις διεπιφάνειες των επιμέρους εδαφικών στρωμάτων που απαρτίζουν το προφίλ) να διαδίδονται σχεδόν κατακορύφως και η μόνη ουσιώδης τους διαφορά από τα κύματα που είναι εξαρχής προσπίπτουν κατακόρυφα είναι ότι δίνουν εδαφική ενίσχυση ελάχιστα μικρότερη στις ίδιες όμως σχεδόν συχνότητες. Ακολουθούν επιμέρους σχολιασμοί για κάθε ένα προφίλ. (α) Στον σταθμό KSRH3 καταγράφηκε η μεγαλύτερη επιτάχυνση (86.6 gal.8 g). To προφίλ αποτελείται από εναλλαγές χαλίκων και ελαφρόπετρας, καθώς και από ψαμμίτη. Οι καταγραφές αποδεικνύουν τα έντονα φαινόμενα εδαφικής ενίσχυσης. Οι αναλύσεις είναι αρκετά επιτυχείς ως προς τη μέγιστη επιτάχυνση και τη μορφή του φάσματος στην επιφάνεια, αλλά όχι και τόσο ακριβείς ως προς την δεσπόζουσα ιδιοπερίοδο και το συχνοτικό περιεχόμενο της καταγραφής. (β) Τα αποτελέσματα των αναλύσεων για το σταθμό NMRH είναι πολύ επιτυχή σε όρους μέγιστης επιτάχυνσης (για ), δεσπόζουσας ιδιοπεριόδου και συχνοτικού περιεχομένου. Τα αποτελέσματα έδειξαν μια σχετικώς γραμμική συμπεριφορά των στρωμάτων χαλίκων και αργίλου που απαρτίζουν το εν λόγω προφίλ (ως καμπύλες και χρησιμοποιήθηκαν αυτές των Vucetic και Dobry για δείκτη πλασιμότητας ). (γ) Για τον σταθμό TKCH8 οι αναλύσεις έδωσαν σχετικά εύλογα αποτελέσματα. Κυριότερες διαφορές: οι μικρότερες δεσπόζουσες ιδιοπερίοδοι ( και αντί των και ) και υπερεκτίμηση της φασματικής επιτάχυνσης στην περίοδο των. (δ) To εδαφικό προφίλ στο σταθμό TKCH5 ήταν σχετικά πολύπλοκο καθώς αποτελείται από πολλά και διαφορετικά εδαφικά στρώματα (απαντώνται στρώματα χαλίκων, ψαμμίτη, ιλύος και κροκαλοπαγών. Είναι αξιοπρόσεκτο 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 9/9 /, Βόλος 4

5 Depth ( m ) KSRH 3 8 NMRH TKCH 8 8 PEBBLES PUM ICE TUFFACEOUS SANDSTONE SANDSTONE & MUDSTONE SANDSTONE CLAY GRANULE STONE CONGLOMERATE STONE Σχήμα 4. Εδαφικά προφίλ, κατανομές ταχυτήτων διατμητικού κύματος, καταγραφές και μέγιστες επιταχύνσεις στην επιφάνεια και στο βάθος του "βράχου" στους σταθμούς KSRH3 σε απόσταση 84km από το επίκεντρο, NMRH (3km) και TKCH8 (9km). Figure 4. Soil profiles, shear-wave velocity distributions, acceleration time histories and maximum recorded accelerations at the surface and the bedrock at the stations KSRH3 (at 84km distance from the epicenter), NMRH (3km) and TKCH (9km). το γεγονός ότι ο ψαμμίτης απαντάται τόσο σε μικρά όσο και σε μεγάλα βάθη. Η ανάλυση μας απεδείχθη αρκετά επιτυχής αφότου επιβάλαμε την σεισμική διέγερση στα 9m αντί των m κάτι το οποίο βασίστηκε στην υπόθεση ότι ως βραχώδες υπόβαθρο μπορεί να θεωρηθεί οποιοσδήποτε δύσκαμπτος βράχος με ταχύτητα διατμητικού κύματος μεγαλύτερη των 7m/sec. Tα αποτελέσματα δείχνουν πολύ καλή πρόβλεψη της μέγιστης εδαφικής επιτάχυνσης αλλά υπάρχει έντονη απόκλιση από την καταγραφή για περιόδους sec. O ίδιος περίπου σχολιασμός μπορεί να ισχύσει και για το σταθμό KKWH8. (ε) Tο μεγαλύτερο ενδιαφέρον έχει ο σταθμός HDKH6. Η αναλυτική πρόβλεψη και η καταγραφλη ελάχιστη ομοιότητα έχουν. Για περιόδους μεγαλύτερες από.6sec βρήκαμε 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 9/9 /, Βόλος 5

6 ότι τα αποτελέσματα επηρεάζονταν στο ελάχιστο από οποιαδήποτε εύλογη αλλαγή στις ιδιότητες που θεωρούσαμε για τις εδαφικές στρώσεις. Περαιτέρω διερεύνηση του εν λόγω προφίλ έδειξε ότι ο σταθμός είναι τοποθετημένος στις παρυφές της κοιλάδας Yufutsu (Σχήμα ). Στη μελέτη τους για τα μακροπερίοδα κύματα του σεισμού, οι Koketsu et al. (5) απέδειξαν την ύπαρξη επιφανειακών κυμάτων Rayleigh στο σταθμό HDKH6, ταυτόχρονα ωστόσο με υψίσυχνους κυματισμούς από ανακλάσεις των πρωτογενών κυμάτων Depth ( m ) TKCH 5 KKWH 8 HDKH TOP SOIL SILT SANDSTONE CLAY GRANULE STONE CONGLOMERATE STONE Σχήμα 5. Εδαφικά προφίλ, κατανομές ταχυτήτων διατμητικού κύματος, καταγραφές και μέγιστες επιταχύνσεις στην επιφάνεια και στο βάθος του "βράχου" στους σταθμούς TKCH5 σε απόσταση 54km από το επίκεντρο, KKWH8 (8km) και HDKH6 (56km). Figure 5. Acceleration Soil profiles, shear-wave velocity distributions, acceleration time histories and maximum recorded accelerations at the surface and the bedrock at the stations TKCH5 (at 54km distance from the epicenter), KKWH8 (8km) and HDKH6 (56km). 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 9/9 /, Βόλος 6

7 SA ( m / s ) 6 4 KSRH SA ( m / s ) 3 NM RH SA ( m / s ) 3 TKCH 8 SURFACE BEDROCK SURFACE - COMPUTED Period T ( sec ) Σχήμα 6. Σύγκριση αποτελεσμάτων ισοδύναμης γραμμικής ανάλυσης και καταγραφών σε όρους φασματικών επιταχύνσεων για τους σταθμού KSRH3, NMRH και TKCH8. Figure 6. Comparison of equivalent linear analysis results and the recordings in terms of spectral accelerations for the stations KSRH3, NMRH and TKCH8. Συμπέραναν ότι τα κύματα αυτά παρήχθησαν είτε στην πηγή ή δημιουργήθηκαν τοπικά. Κατέληξαν δε στο συμπέρασμα ότι οι μεγάλες φασματικές επιταχύνσεις που παρατηρούνται αντιστοιχούν σε κύματα Rayleigh στην άκρη της κοιλάδας και μετά μετατρέπονται σε επιφανειακά κύματα με παρόμοιες ή μεγαλύτερες περιόδους. Μετά από αυτές τις παρατηρήσεις η αποτυχία της ισοδύναμης γραμμικής μεθόδου είναι αναμενόμενη. 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ) Η θεωρία μονοδιάστατης ενίσχυσης είναι γενικώς επιτυχής αν και δεν μπορεί να αναπαράξει συγκεκριμένες και πιό λεπτομερείς συμπεριφορές. ) Σε μία περίπτωση η θεωρία μονοδιάστατης ενίσχυσης δεν δύναται να δώσει αποτελέσματα κοντά ικανοποιητικά στα αναμενόμενα. 3) Οι αδυναμίες (μερικές ή ολικές της μεθόδου) μπορούν να αποδοθούν στα εξής φαινόμενα: Την πιθανή ύπαρξη κυμάτων Rayleigh και Love. Τα D και 3D φαινόμενα κοιλάδας. Ανακρίβειες στις εδαφικές ιδιότητες τόσο κοντά στην επιφάνεια όσο και για βάθη μεγαλύτερα των m. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 9/9 /, Βόλος 7

8 SA ( m / sec ).5.5 TKCH SA ( m / sec ).5 SURFACE BEDROCK SURFACE - COMPUTED KKWH SA ( m / sec ).5 HDKH Period T ( sec ) Σχήμα 7. Σύγκριση αποτελεσμάτων ισοδύναμης γραμμικής ανάλυσης και καταγραφών σε όρους φασματικών επιταχύνσεων για τους σταθμού TKCH5, KKWH8 και HDKH6. Figure 7. Comparison of equivalent linear analysis results and the recordings in terms of spectral accelerations for the stations TKCH5, KKWH8 and HDKH6. 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Gazetas, G. and Bianchini, G. (979), "Field Evaluation of Body and Surface-Wave Soil- Amplification Theories", Proceedings of the nd U.S. National Conference on Earthquake Engineering, EERI, August - 34, 979, Stanford University. Koketsu K., Hatayama, K., Furumura, T., Ikegami, Y. and Akiyama, S. (5), "Damaging Long-Period Ground Motions from the 3 Mw 8.3 Tokachi-Oki, Japan Earthquake", Seismological Research Letters; January/February 5; v. 76; no. ; p Schnabel, P., Lysmer, J. and Seed, H.B. (97), "SHAKE: A computer program for earthquake response analysis of horizontally layered sites", Rep. EERC 7-, University of California, Berkeley, 97. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 9/9 /, Βόλος 8