Near-field earthquake ground motion rotations and relevance on civil engineering structures

The growing interest in the study of rotational ground motions induced by earthquakes, explosions, and ambient vibrations has led in recent years to the development of an emerging field of inquiry, referred to as Rotational Seismology. The main idea of the rotational seismology is that for a complete and proper characterization of strong ground motions, measurements should be no longer limited to only the three components of translational motion, but should simultaneously include the three components of rotational motion, especially in the near field of an earthquake. Accelerations recorded by translational sensors could themselves be affected by rotations and collecting translational and rotational information together can yield a more complete description of the wave field, providing a substantial improvement in studies of velocity heterogeneity, source complexity, and media nonlinearity in strong ground motions. From a civil engineering perspective, the relevance for structures is still under debate by the scientific community and the notion that the rotational component of strong motion could contribute significantly to the overall structural response has only recently been recognized, driven by a growing interest in performance-based design and structural health monitoring. Nevertheless, studies of recorded rotational strong ground motion are limited to a few examples and, consequently, the knowledge of the rotational wave field is still insufficient. The goal of this work is to make a contribution to the study of rotational ground motion in near-field region, referring to a realistic earthquake scenario, as with the MW 6.3 Christchurch earthquake of 22 February 2011. The exceptionally high vertical acceleration recorded together with the widespread liquefaction, suggests that rotational motions could have played a significant role in the damage of the area, and especially in the Central Business District (CBD) of the city, characterized by a dense urban setting with closely spaced high rise buildings. Aiming to further understanding of the rotational wave field and its relation with the translational wave field, rotational ground motions are evaluated: i) semi-empirically, starting from measured translational records in closely-spaced arrays of stations, relying on the mathematical relation between the cross power spectrum and the power spectrum of rotation; and ii) numerically, considering the prediction of the variability of strong ground motion (translational and rotational) in near-fault conditions obtained through three-dimensional models of the Christchurch earthquake, testing their reliability by exploiting the availability of an unprecedented dataset of near-fault strong ground motion. Values of estimated peak ground torsional rates in the epicentral region range up to around 20 mrad/s with maximum peak ground rotations higher than 1 mrad. The relevance of the rotational strong ground motions is then evaluated for a series of civil engineering structures: i) buried pipeline and lifeline networks, assessing some implications of the effect of a different ground motion from point to point (wave passage effect); ii) tall wind towers; iii) high rise buildings, such as those that constitute and characterize the Christchurch CBD; and iv) pounding-prone compounds of buildings, considering the complex interaction between the topography and the characteristics of the soil and geometry of foundations and buildings of a densely urbanized city (Site-City interaction). In particular, to disregard rotational effect in buildings, could result, according to the considered models, in an underestimation of interstory drift up to 15%, and, consequently, higher levels of damage than expected.

Il crescente interesse nello studio degli scuotimenti rotazionali indotti da terremoti, esplosioni e vibrazioni ambientali ha determinato, nell’ultima decade, lo sviluppo di un nuovo e emergente campo di ricerca, denominato “Sismologia Rotazionale”. L’idea alla base della sismologia rotazionale è che, per una completa ed appropriata caratterizzazione dello scuotimento del terreno, le misure non dovrebbero più essere limitate alle sole tre componenti traslazionali del moto, ma dovrebbero simultaneamente includere anche le tre componenti rotazionali, specialmente a poche decine di chilometri dall’epicentro di un terremoto. Le accelerazioni registrate da sensori traslazioni potrebbero, infatti, essere esse stesse affette dalle rotazioni e l’insieme dell’informazione traslazionale e rotazionale permetterebbe di descrivere il campo d’onda in maniera più completa e appropriata, con un sostanziale progresso nello studio di molteplici aspetti dello scuotimento del terreno, come l’eterogeneità della velocità di propagazione delle onde, la complessità della sorgente e la non-linearità del materiale. Dal punto di vista dell’ingegnere strutturista, l’importanza di moti rotazionali del terreno per le strutture è tuttora argomento di vivace discussione nella comunità scientifica e solo recentemente si è riconosciuto che la componente rotazionale del moto può contribuire significativamente alla risposta globale della struttura. Studi sulla componente rotazionale del moto del terreno sono limitati a pochi esempi e, conseguentemente, la conoscenza del campo d’onda rotazionale è ancora ampiamente insufficiente. Il lavoro mira ad aggiungere un contributo allo studio della componente rotazionale del terreno nel campo vicino di un terremoto, con riferimento ad uno scenario reale, come quello rappresentato dal terremoto di Christchurch (MW 6.3), in Nuova Zelanda, del 22 Febbraio 2011. I valori eccezionalmente elevati di accelerazione registrati, in particolare lungo la componente verticale del moto, insieme ad una diffusa liquefazione, suggeriscono che moti rotazionali del terreno potrebbero aver avuto un ruolo significativo nei danneggiamenti della città, e in particolare del suo quartiere centrale (Central Business District, CBD), caratterizzato da una urbanizzazione densa, con un elevato numero di edifici alti ravvicinati. Con lo scopo di approfondire la comprensione del campo d’onda rotazionale e la sua relazione con quello traslazionale, le rotazioni del terreno sono valutate: i) in maniera semi-empirica, sulla base di misure traslazionali registrate in reti dense di stazioni, sfruttando la relazione matematica tra cross-spettro di potenza e spettro di potenza rotazionale; e ii) numericamente, considerando la variabilità dello scuotimento del terreno (sia traslazionale che rotazionale) nel campo vicino di un terremoto, ottenuta attraverso modelli tridimensionali del terremoto di Christchurch, verificandone l’attendibilità grazie ad un numero considerevolmente ricco di registrazioni a distanze di pochi chilometri dalla faglia. L’importanza dei moti rotazionali del terreno è poi valutata per diverse categorie di strutture di interesse civile: i) reti di tubazioni sotterranee, evidenziando le implicazioni che un moto del terreno differente da punto a punto può avere per tali strutture; ii) turbine a vento; iii) edifici alti, come quelli che formano e caratterizzano il CBD di Christchurch; iv) complessi di edifici potenzialmente soggetti a martellamento, considerando la complessa interazione tra la topografia e le caratteristiche del terreno e la geometria di fondazioni e edifici di un’area urbana, come il CBD di Christchurch (interazione Sito-Città).