Modeling of two-dimensional water motion field during a seaquake

This thesis’s goal is to understand dynamic water motion during seaquakes through the development and analysis of various methodologies. The research begins by establishing a one-dimensional frequency domain formulation and then extends it to a novel two-dimensional frequency domain approach. The study focuses on resonance phenomena, considering the influence of water depth, water damping, and it includes a realistic spatially variable ground motion. Furthermore, the thesis improves the frequency-domain formulation by incorporating a variable number of elastic soil layers below the seawater, and considering a more realistic seabed configuration, which includes a stepwise variable water depth. A comparison between the frequency-domain models highlights a non-negligible amplification of the response in two-dimensional models with respect to one-dimensional one, and the effects of a non-horizontal seabed on the water motion field. In the second part, a time domain approach using Finite Elements is introduced, addressing wave propagation in unbounded media and implementing the Domain Reduction Method for soil-structure interaction analyses, under the simplifying hypothesis of vertical propagating waves. Several time-domain models for seaquakes are developed, which differ in the water material modeling technique, and in the seabed geometry. These ABAQUS models are compared to the frequency-domain model developed in the first part of the thesis, showing close results in flat seabed regions and emphasizing the importance of water modeling technique and seabed inclination. Moreover, depending on the water material definition, some nonlinear phenomena are observed in the resulting water motion, with the appearance of high-frequency components and modulation of the response. Furthermore, the influence of seabed inclination was extensively studied, revealing that smaller inclination angles lead to water motion fields closer to the flat seabed scenario. Additionally, the study acknowledges the challenges in modeling sloshing phenomena during seaquakes using Finite Elements.

L'obiettivo di questa tesi è modellare il campo di moto dell'acqua durante i maremoti, attraverso lo sviluppo e l'analisi di varie metodologie. La ricerca inizia stabilendo una formulazione monodimensionale nel dominio delle frequenze e successivamente la estende a un nuovo approccio bidimensionale nel dominio delle frequenze. Lo studio si concentra sui fenomeni di risonanza, considerando l'influenza della profondità dell'acqua, della dissipazione dell'acqua ed imponendo un’eccitazione del terreno realistica, variabile nello spazio. Inoltre, la tesi migliora la formulazione nel dominio delle frequenze integrando nel sistema un numero variabile di strati di suolo elastico al di sotto dello strato d’acqua e considerando una configurazione del fondale marino più realistica, che considera una profondità variabile a gradini. Un confronto tra i modelli nel dominio delle frequenze evidenzia un'amplificazione non trascurabile della risposta nei modelli bidimensionali rispetto al modello monodimensionale. Inoltre, gli effetti del fondale non orizzontale mostrano la loro influenza nel campo di moto dell'acqua risultante. Nella seconda parte viene introdotto un approccio nel dominio del tempo utilizzando gli Elementi Finiti, affrontando la propagazione delle onde in mezzi illimitati e implementando il Metodo di Riduzione del Dominio per l'analisi dell'interazione suolo-struttura, sotto l'ipotesi semplificatrice di onde che propagano verticalmente. Vengono sviluppati diversi modelli nel dominio del tempo per i maremoti, che differiscono nella tecnica di modellazione dell'acqua e nella geometria del fondale. Questi modelli ABAQUS sono successivamente confrontati con il modello nel dominio delle frequenze sviluppato nella prima parte della tesi, mostrando risultati simili nelle regioni al di sopra del fondale marino piatto e sottolineando l'importanza della tecnica di modellazione dell'acqua e dell'inclinazione del fondale marino. Inoltre, a seconda della tecnica utilizzata per descrivere il materiale acqua, si osservano alcuni fenomeni non lineari nel moto di risposta dell’acqua, con la comparsa di componenti ad alta frequenza e modulazione della risposta. Inoltre, l'influenza dell'inclinazione del fondale marino è stata ampiamente studiata, rivelando che pendenze minori nel tratto inclinato conducono a campi di moto dell'acqua più vicini allo scenario di fondale marino piatto. Inoltre, lo studio riconosce le complessità nella modellazione dei fenomeni di sloshing durante i maremoti utilizzando gli Elementi Finiti.