Validation of physics-based ground-motion simulations for structural engineering purposes

This thesis addresses a significant area within seismic engineering and seismology, specifically the validation of a physics-based database of simulated accelerograms. The creation and validation of such databases arises from the need to have a larger quantity of ground motion time histories: within the first 5-10 km from the epicenter, certain phenomena due to the propagation of the wave field (e.g., directivity, fling effects) are observed that are not captured at greater distances and are particularly damaging to buildings. These are near-field phenomena, which are difficult to account for due to the limited number of accelerograms recorded within the first few kilometers from the epicenter. Additionally, when intending to use time histories for nonlinear dynamic analysis of buildings (as permitted by current technical regulations), there is often the issue of an insufficient number of records to adequately capture the variability of boundary conditions (e.g., magnitude, distance, soil type) and that have been recorded in the near-field. To address these issues, a physics-based database of ground motion time histories (in acceleration, velocity, and displacement) is created to fill these recording gaps. The physics-based methodology enables the simulation of the physics of fault rupture mechanics starting from the nucleation point, as well as the propagation of seismic waves through the solid medium, which are then recorded by an adequate number of "receivers" positioned at various angles and distances from the fault center. Three fault geometries (with different focal mechanisms) were simulated for five different magnitudes (ranging from 5.5 to 7.5), each located on three different surfaces (categories A, B, and C according to Eurocode 8). For each case, ten realizations of the rupture mechanism (stochastically generated) were produced, each recorded by a network of thirty recorders positioned at increasing angles and distances (every 60° and from 5 to 100 km). A total of 18,900 seismic events were simulated, which were then decomposed into three components (North-South, East-West, Vertical), resulting in a total of 56,700 accelerograms. Since this is a simulation, it is essential to compare characteristic parameters of the accelerograms (e.g., PGA, spectral acceleration, PGV, significant duration, etc.) with those from real recordings. For this "seismological" validation, Ground Motion Prediction Equations (GMPEs) from the literature were employed, which provide the median value of characteristic parameters of real accelerograms as a function of distance. The second, engineering-focused validation involves conducting a vulnerability analysis of a set of buildings modeled to consider material non-linearities, using nonlinear dynamic analyses first with a subset of real accelerograms, and subsequently with a subset of simulated accelerograms (selected to have equivalent spectral acceleration distributions). Linear regressions are then performed within the framework of the Cloud Analysis procedure. The slopes of the regressions obtained for the two sets of signals (real and simulated) are compared both qualitatively (graphically) and quantitatively through a statistical significance test. The objective of this thesis is to provide and validate a physics-based dataset of simulated accelerograms that are equivalent to real accelerograms from both a seismological and engineering perspective.

L’argomento della tesi riguarda un campo significativo dell’ingegneria sismica e della sismologia, ossia la validazione di un database di accelerogrammi simulati physics-based. La creazione di database di accelerogrammi simulati physics-based nasce dall’esigenza di avere un maggior numero di storie temporali di scuotimenti del terreno: nei primi 5-10 km dall’epicentro si avvertono dei fenomeni particolari dovuti alla propagazione del campo d’onda (direttività, fling) che purtroppo non vengono registrati a lunghe distanze, e che sono particolarmente dannosi per gli edifici. Questi sono fenomeni del “campo vicino” e sono difficili da prendere in considerazione a causa del basso numero di accelerogrammi registrati nei primi chilometri dall’epicentro. Inoltre, volendo utilizzare le storie temporali per effettuare analisi dinamiche non lineari di edifici (permesse dall’attuale normativa tecnica), spesso ci si imbatte nel problema di non trovare un numero sufficiente di segnali che permetta di tenere in considerazione la variabilità delle condizioni al contorno (magnitudo, distanza, tipo di suolo, etc.), e che siano stati registrati nel “campo vicino”. Per rispondere a queste problematiche viene creato un database di storie temporali del moto del suolo (in accelerazione, velocità e spostamento) “physics-based”, nel tentativo di riempire i vuoti di registrazioni di cui sopra: la metodologia “physics-based” permette di simulare la fisica del meccanismo di rottura del piano di faglia a partire dal punto di nucleazione, e la propagazione delle onde sismiche all’interno del mezzo solido, che vengono poi registrate da un adeguato numero di “ricevitori”, posizionati a diversi angoli e distanze dal centro della faglia. Sono state simulate tre geometrie di faglie (aventi meccanismi focali differenti) per cinque magnitudo differenti (da 5.5 a 7.5), ognuna delle quali è posizionata su tre differenti superficiali (di categoria A, B e C secondo l’Eurocodice 8). Per ognuno di questi casi vengono prodotte dieci realizzazioni del meccanismo di rottura (in modo stocastico), ognuna delle quali viene registrata da una rete di trenta registratori, posizionati a angolazioni crescenti e distanze crescenti (ogni 60° e da 5 a 100 km). Sono stati simulati 18900 eventi sismici (che vengono poi scomposti in 3 componenti (Nord-Sud, Est-Ovest, Verticale), per un totale di 56700 accelerogrammi. Essendo una simulazione, è importante confrontare parametri caratteristici degli accelerogrammi (PGA, Accelerazione spettrale, PGV, Durata Significativa, etc. ) con gli stessi parametri delle registrazioni reali. Per questa validazione “sismologica” sono state utilizzate Leggi di Attenuazione ( o Ground Motion Prediction Equation, GMPE) trovate in letteratura, le quali mostrano il valore mediano dei parametri caratteristici degli accelerogrammi reali al variare della distanza. La seconda validazione, ingegneristica, consiste nel effettuare un’analisi di vulnerabilità di un set di edifici, modellati per considerare anche non-linearità dei materiali, effettuando analisi dinamiche non lineari, prima con un subset di accelerogrammi reali, e successivamente con uno di simulati (selezionati in modo da avere distribuzioni equivalenti di accelerazione spettrale) ed effettuare regressioni lineari all’interno della cornice della procedura di Cloud Analysis. Le pendenze delle regressioni ottenute per i due set di segnali (reali e simulati) vengono confrontate sia qualitativamente (graficamente), sia quantitativamente effettuando un test di significatività statistica. L’obiettivo del lavoro di tesi è fornire e validare un dataset di accelerogrammi simulati physics-based che siano equivalenti ad accelerogrammi reali sia dal punto di vista sismologico che da quello ingegneristico.