Impact of the presence of multiple buried structures on surface waves

The description of seismic ground motion (intensity and waveform) is a critical input for the safety analysis of industrial facilities, such as nuclear and hydroelectric power plants. The seismic wave field observed at the surface is significantly modified by local site conditions such as the subsurface configuration and local/regional topography, a phenomenon called site effects. The body waves emitted by the seismic source are modified during the propagation, in particular surface waves are developed in presence of sedimentary basins. Surface waves energy is generally included in the response spectra provided by empirical ground motion models but are not explicitly considered in structural seismic analyses. On the other hand, the presence of structures with deeply embedded foundations, typical of nuclear buildings (often tens of meters deep), introduces additional complexity. These foundations act as obstacles, modifying the local wave field. The aggregate effect of multiple structures is also known as site-city effects. In addition, being heavy structures, nuclear buildings induce inertial interactions between the soil and the structures (SSI). This work specifically aims to gain a better understanding of surface wave generation in these types of configurations through numerical simulation of seismic wave propagation. We study the impact of deeply embedded foundations on surface waves within a basin by numerical simulation of seismic waves propagating in 2D soil domains using code_aster FEM software. For this purpose, we apply the NIP (Normalized Inner Product) to extract surface waves, using the approach proposed by Meza-Fajardo et al. [2015], and we analyze their amplitudes and frequency content for different configurations of obstacles.

La descrizione del moto sismico del suolo (intensità e forma d’onda) è un dato fondamentale per l’analisi della sicurezza degli impianti industriali, come le centrali nucleari e idroelettriche. Il campo delle onde sismiche osservato in superficie è significativamente modificato dalle condizioni locali del sito, quali la configurazione del sottosuolo e la topografia locale/regionale, un fenomeno chiamato effetti del sito. Le onde di volume emesse dalla fonte sismica vengono modificate durante la propagazione, in particolare le onde di superficie si sviluppano in presenza di bacini sedimentari. L’energia delle onde di superficie è generalmente inclusa negli spettri di risposta forniti dai modelli empirici di movimento del suolo, ma non viene esplicitamente considerata nelle analisi sismiche strutturali. D’altra parte, la presenza di strutture con fondazioni profondamente interrate, tipiche degli edifici nucleari (spesso profonde decine di metri), introduce un’ulteriore complessità. Queste fondazioni agiscono come ostacoli, modificando il campo d’onda locale. L’effetto aggregato di più strutture è noto anche come effetto sito-città. Inoltre, essendo strutture pesanti, gli edifici nucleari inducono interazioni inerziali tra il suolo e le strutture (SSI). Questo lavoro mira specificamente a comprendere meglio la generazione delle onde superficiali in questo tipo di configurazioni attraverso la simulazione numerica della propagazione delle onde sismiche. Studiamo l’impatto delle fondazioni profondamente radicate sulle onde superficiali all’interno di un bacino mediante simulazione numerica delle onde sismiche che si propagano in domini di terreno 2D utilizzando il software FEM code_aster. A tal fine, applichiamo il NIP (Normalized Inner Product) per estrarre le onde superficiali, utilizzando l’approccio proposto da Meza-Fajardo et al. [2015], e analizziamo le loro ampiezze e il contenuto di frequenza per diverse configurazioni di ostacoli.