Analyse physics-based de scénarios sismiques "de la faille au site": prédiction de mouvement sismique fort pour l'étude de vulnérabilité sismique de structures critiques

The ambition of this work is the prediction of a synthetic yet realistic broad-band incident wave-field, induced by strong ground motion earthquakes at sites of strategic importance, such as nuclear power plants. To this end, an effective multi-tool virtual laboratory is developed and exploited to simulate the different aspects of the complex phenomenon an earthquake embodies: the source mechanism, the wave propagation path through the Earth's crust, the interaction with the shallow geological interfaces and the effect of the non-linear heterogeneous softer soil deposits. The platform not only helps in deepening the insight and the understanding of the earthquake itself, but also permits the uncertainty quantification of seismic databases, traditional predictive tools, design procedures and crucial parameters defining strong ground shaking scenarios. This multi-scale computational framework copes with the manifold nature of an earthquake by a holistic local-to-regional approach: the locally observed site-response is at first characterized in details to switch to target response for a larger-scale analysis, in a second instance. The core tool is represented by a high-performance software to solve the wave-equation problem based upon the Spectral Element Method. This code, called SEM3D, is tailored to effectively scale on multi-core parallel architectures. SEM3D is featured by a large-scale random-field parallel generator to represent the heterogeneity of the soil properties, along with an effective non-linear solver to simulate the hysteretic soil behavior. A complex case study is chosen to this end: is the MW 6.6 Niigata-Ken Chuetsu-Oki earthquake, which damaged the Kashiwazaki-Kariwa nuclear power plant. The observed non-linear site-effects, the pulse-like wave-motion and the spatial incoherence of the recorded ground motion are at first investigated and characterized. In the following, the 3D source-to-site physics-based model is constructed and employed to provide reliable input ground motion, for a frequency band of 0-7 Hz. The effect of the folded geological structure underneath the site is quantified by simulating two aftershocks of moderate intensity and by estimating the spatial variability of the response spectra at different locations within the nuclear site. The numerical outcome stresses the need to include the syncline-anticline geological structure within the model, so to picture the amplified site-response in contrast with the classical assumption of a layered half-space. Moreover, the comparative analysis reproduces the remarkable incoherence of the ground motion time-histories observed in the recordings, highlighting the need for a more detailed and site-specific description of the incident wave-field used as input parameter in the antiseismic structural design of nuclear reactors and facilities. In a second time, the effect of extended fault rupture is tested and tuned. Finally, the frequency band of the time-histories obtained as outcome of the numerical simulations is enlarged by exploiting the stochastic prediction of short-period response ordinates provided by Artificial Neural Networks. The synthetics are spectral-scaled upon those provisions.

L'ambizione di questo lavoro è la predizione realisitica e broad-band del moto sismico incidente a siti di importanza strategica (come centrali nucleari), originato da terremoti di grande intensità. A questo fine, una piattaforma virtuale e multi-tool è stata sviluppato per simulare i diversi aspetti che un fenomeno complesso come un terremoto incarna: il meccanismo di faglia, la propagazione d'onda attraverso la crosta terrestre, l'interazione con le interfacce geologiche in profondità e gli effetti di sito non-lineari in depositi sedimentari soffici ed eterogenei. La piattaforma menzionata permette una migliore comprensione della fisica del fenomeno sismico, ma permette anche la quantificazione dell'incertezza legata all'uso di database sismici, strumenti tradizionali di predizione del moto sismico, procedure di design e parametri cruciali che definiscono uno scenario sismico. Lo strumento computazionale permette di modellare con efficacia la natura multi-dimensionale e multi-scala di questi scenari di movimento forte, ispirato da un approccio locale-regionale ed olistico: la risposta sismica del sito osservata localmente è caratterizzata nei dettagli, diventando in seguito l'obiettivo della simulazione numerica a grande-scala. Lo strumento computazionale principale è rappresentato da un software di grandi prestazioni per risolvere il problema di propagazione d'onda, basato sul metodo degli Elementi Spettrali. Questo codice, chiamato SEM3D, è efficentemente scalabile su architetture informatiche parallele e multi-core. SEM3D è integrato da una libreria per la generazione in parallelo di random fields, usati per rappresentare l'eterogeneità delle proprietà del suolo. Inoltre, SEM3D è denotato da una grande efficacia nella risoluzione della propagazione d'onda in materiali visco-elastici e non-lineari, per simulare il comportamento ciclico del terreno. Il caso di studio scelto è il terremoto Niigata-Ken Chuetsu-Oki, di magnitudo Mw 6.6, che danneggiò nel 2007 la centrale nucleare di Kashiwazaki-Kariwa. I vasti effetti di sito non lineari osservati sono inizialmente caratterizzati nel dettaglio, come la natura impulsiva dei velocigrammi e l'incoerenza spaziale del moto sismico registrato. Nel seguito, il modello 3D physics-based dalla sorgente al sito viene costruito e utilizzato per predire il moto sismico broad-band (0-7 Hz). L'effetto della struttura geologica disposta sotto il sito nucleare è stato quantificato simulando due repliche di intensità moderata e valutando la variabilità spaziale degli spettri di risposta ad ubicazioni diverse all'interno del sito nucleare. L'analisi numerica accentua il bisogno di includere la struttura sinclinale/anticlinale all'interno del modello, per rappresentare l'amplificazione causata dalla piega geologica, in contrasto con l'assunzione classica di un semi-spazio a strati orizzontali. Inoltre, l'analisi comparata riproduce l'incoerenza straordinaria delle storie temporali, osservata nelle registrazioni, accentuando il bisogno per una descrizione più particolareggiata e sito-specifica del moto sismico incidente, da includere come parametro di design strutturale antisismico di reattori nucleari ed installazioni correlate. In una seconda fase, l'effetto della rottura del piano di faglia è esaminato, calibrando il modello numerico soggiacente. Infine, la predizione broad-band è ottenuta come risultato di una ibridizzazione tra spettro di risposta a lungo periodo da simulazioni numeriche e spettro a corto periodo estimato tramite Artificial Neural Networks (ANN). Le storie temporali sintetiche sono così ottenute scalando il loro spettro per ottenere lo spettro target fornito dalle ANN.