"Spatial variability of seismic ground motion and site effects evaluation in a large urban area through physics-based 3D numerical simulations"

With increasing loss potential of earthquake hazards, especially in highly-populated urbanized areas, there is a need for performing large-scale risk assessments, especially in regions near active faults. One of the key ingredients of seismic risk analysis is the evaluation of the earthquake ground motion. These analyses are usually based on empirical equations typically calibrated on the available worldwide strong motion records. However, in absence of sufficient ground motion records, particularly in near source condition of large magnitude earthquakes, there is a necessity for alternative tools for predicting ground motion and providing a complete picture of their spatial variability. As a matter of fact, with improvements in numerical tools and computational resources, the physics-based numerical simulation of earthquake ground motion emerges as one of promising tool for this purpose. Stimulated by the motivations above, the principal intent of this work is to explore various issues regarding the characterization of earthquake ground motion by using physics-based numerical simulations. In this regard, the spatial variability of seismic motion in a large urban area has been studied and insights into the 3D site effects induced by complex geological structures has been provided. The main computational tool utilized in this work is a high performance code named SPEED (http://speed.mox.polimi.it/), based on the Discontinuous Galerkin spectral elements, that is designed to handle the simulation of large-scale seismic wave propagation problems, including the coupled effect of the seismic fault, the propagation path, and localized geological irregularities. The code has been used particularly for simulation of seismic ground motion in the Thessaloniki broader area which had been selected as a benchmark site in the framework of 2013–2016 STREST FP7 European Collaborative Research Project due to its strategic position for the trade and economy of the region. The availability of detailed geotechnical, geophysical and seismological information allowed the construction of a 3D large-scale model that primarily addresses the simulation of the MW 6.5 June 20th 1978 earthquake, which seriously affected the city. Being validated by available records and the experimental data, the simulated time histories have been used for investigating the spatial variability of seismic ground motion and the 3D site effects in the Thessaloniki urban area. In addition to that, in order to examine the dependency of the spatial variability of ground motion on the seismic source parameters such as hypocenter location and slip distribution, a total number of 42 ground shaking scenarios has been generated rupturing the same fault. To improve its applicability for engineering practices, a part of this study has been dedicated to implement some new features in 2D version of SPEED. One of those is a sub-structuring technique for plane wave propagation analyses, called DRM (Domain Reduction Method) in which the analysis of the seismic source and the wave propagation through the earth is separated from the localized structure. The implementation of DRM in SPEED has been validated through different geological configurations and has been used for performing a study on the response of a specific 2D cross-section of the Thessaloniki urban area. In this regard, a systematic comparison has been performed on the performance of 1D, 2D, and 3D numerical approaches for predicting the site response in the Thessaloniki metropolitan area. It turns out that some specific complex features of seismic response observed in weak motion records, cannot be accurately predicted except with advanced numerical tools based on 3D wave propagation and 3D geological configuration. The final portion of this research has been devoted to study the spatial distribution of ground motion in near-source condition with respect to the site-to-source distance measurement. For this purpose, the results of the numerical simulations in the Thessaloniki area together with other case studies, with different earthquake characteristics, were used. It has been highlighted that for fault normal or reverse faulting earthquakes, the accuracy of empirical ground motion prediction in near-source conditions depends significantly on the proper definition of the distance metric. For this purpose, a new distance metric has been proposed in this work to describe the decrease of the amplitude with distance, and compared with other metrics widely used for this purpose.

Con l'aumento di perdite potenziali dovute a rischio sismico, speciamlmente in aree urbane altamente popolate, é necessario eseguire una valutazione dei rischi su larga scala, soprattutto vicino a faglie attive. Uno degli elementi chiave dell'analisi del rischio sismico è la valutazione dello scuotimento del suolo. Queste analisi sono solitamente basate su equazioni empiriche calibrate tipicamente su dati disponibili di scosse violente registrate nel mondo. Ad ogni modo, in assenza di registrazioni sufficienti, particolarmente in campo vicino di terremoti di grande magnitudine, c'è necessità di strumenti alternativi per predire lo scuotimento del suolo e fornire una visione completa della loro variabilità spaziale. Infatti, con il miglioramento degli strumenti numerici e delle risorse computazionali, la simulazione numerica fisicamente basato emerge come uno strumento promettente per questo obbiettivo. Stimolata dalle motivazioni di cui sopra, l'intento principale di questa Tesi è di esplorare vari temi riguardanti la caratterizzazione del movimento sismico del terreno tramite l'utilizzo di simulazioni numerica fisicamente basato. In questo riguardo, è stata studiata la variabilità spaziale del movimento sismico in grandi aree urbane e sono stati forniti approfondimenti sugli effeti 3D nel sito indotti da strutture geologiche complesse. Lo strumento computazionale principale utilizzato in questa Tesi è un codice ad alta prestazione chiamato SPEED (http://speed.mox.polimi.it/), basato sugli elementi spettrali di Discontinuous Galerkin, che è progettato per trattare la simulazione di problemi di propagazione dell'onda sismica su larga scala, inclusi gli effetti combinati della faglia sismica, della traiettoria di propagazione e delle irregolarità geologiche localizzate. In particolare il codice è stato utilizzato per la simulazione di scuotimento del suolo nell'area di Salonicco e dintorni, la quale è stata selezionata come standard nel quadro del 2013–2016 STREST FP7 European Collaborative Research Project a causa della sua posizione strategica per il commercio e l'economia della regione. La disponibilità di informazioni geotecniche, geofisiche e sismiche dettagliate ha permesso la costruzione di un modello 3D su larga scala dedicato primariamente alla simulazione del terremoto MW 6.5 del 20 Giugno 1978, che ha seriamente colpito la città. Dopo essere state confermate dai registrazioni e dati sperimentali, le storie temporali simulate sono state usate per indagare la variabilità spaziale dello scuotimento sismico del suolo e gli effetti 3D in sito nell'area urbana di Salonicco. Inoltre, per esaminare ilgrado di dipendenza della variablità spaziale dello scuotimento del suolo da parametri di sorgente sismica quali la posizione dell'ipocentro e distribuzione di scorrimento sulla faglia, un totale di 42 scenari di movimento sismico è stato generato rompemdo la stessa faglia. Per migliorare la sua applicabilità alle pratiche ingegneristiche, una parte di questo studio è stata dedicata alla implementazione di alcune nuove caratteristiche nella versione 2D di SPEED. Una di queste è il sub-structuring technique per l'analisi della propagazione dell'onda piana, chiamata DRM (Domain Reduction Method) in cui le analisi della sorgente sismica e della propagazione dell'onda attraverso la terra è separata dalla struttura localizzata. L'implementazione di DRM in SPEED è stata confermata tramite diverse configurazioni geologiche ed è stata usata per fare uno studio sulla risposta di una sezione trasversale specifica 2D dell'area urbana di Salonicco. In questo riguardo, un confronto sistematico è stato fatto tra le prestazioni di approcci numerici 1D, 2D e 3D per predire la risposta del sito nell'area metropolitana di Salonicco. Si è scoperto che alcune caratteristiche complesse specifiche di risposta sismica osservate in registrazioni di scosse deboli non possono essere previste accuratamente fatta eccezione per gli strumenti numerici avanzati basati sulla propagazione dell'onda 3D e sulla configurazione geologica 3D. La porzione finale di questa ricerca è stata dedicata allo studio della distribuzione spaziale dello scuotimento sismico del suolo in campo vicino in rispetto alle misurazioni della distanza sito-sorgente. Per questo fine, sono stati usati i risultati delle simulazioni numeriche nell'area di Salonicco, insieme ad altri casi studio con caratteristiche sismiche diverse. É stato evidenziato che per terremoti a faglia normale o a faglia inversa, l'accuratezza delle equazioni empiriche per la previsione dello scuotimento del suolo in prossimità della sorgente dipende molto dalla appropriata definizione della metrica di distanza. Con questo fine è stata proposta in questa Tesi una nuova metrica di distanza per descrivere la diminuzione dell'ampiezza di scuotimento del suolo con la distanza, ed è stata confrontata con altre metrice largamente usate per questo scopo.