TY  - THES
A1  - Strollo, Angelo
T1  - Development of techniques for earthquake microzonation studies in different urban environment
T1  - Entwicklung von Techniken für Mikrozonierungsstudien von Erdbeben in verschiedenen städtischen Umgebungen
N2  - The proliferation of megacities in many developing countries, and their location in areas where they are exposed to a high risk from large earthquakes, coupled with a lack of preparation, demonstrates the requirement for improved capabilities in hazard assessment, as well as the rapid adjustment and development of land-use planning. In particular, within the context of seismic hazard assessment, the evaluation of local site effects and their influence on the spatial distribution of ground shaking generated by an earthquake plays an important role. It follows that the carrying out of earthquake microzonation studies, which aim at identify areas within the urban environment that are expected to respond in a similar way to a seismic event, are essential to the reliable risk assessment of large urban areas. Considering the rate at which many large towns in developing countries that are prone to large earthquakes are growing, their seismic microzonation has become mandatory. Such activities are challenging and techniques suitable for identifying site effects within such contexts are needed. In this dissertation, I develop techniques for investigating large-scale urban environments that aim at being non-invasive, cost-effective and quickly deployable. These peculiarities allow one to investigate large areas over a relative short time frame, with a spatial sampling resolution sufficient to provide reliable microzonation. Although there is a negative trade-off between the completeness of available information and extent of the investigated area, I attempt to mitigate this limitation by combining two, what I term layers, of information: in the first layer, the site effects at a few calibration points are well constrained by analyzing earthquake data or using other geophysical information (e.g., shear-wave velocity profiles); in the second layer, the site effects over a larger areal coverage are estimated by means of single-station noise measurements. The microzonation is performed in terms of problem-dependent quantities, by considering a proxy suitable to link information from the first layer to the second one. In order to define the microzonation approach proposed in this work, different methods for estimating site effects have been combined and tested in Potenza (Italy), where a considerable amount of data was available. In particular, the horizontal-to-vertical spectral ratio computed for seismic noise recorded at different sites has been used as a proxy to combine the two levels of information together and to create a microzonation map in terms of spectral intensity ratio (SIR). In the next step, I applied this two-layer approach to Istanbul (Turkey) and Bishkek (Kyrgyzstan). A similar hybrid approach, i.e., combining earthquake and noise data, has been used for the microzonation of these two different urban environments. For both cities, after having calibrated the fundamental frequencies of resonance estimated from seismic noise with those obtained by analysing earthquakes (first layer), a fundamental frequency map has been computed using the noise measurements carried out within the town (second layer). By applying this new approach, maps of the fundamental frequency of resonance for Istanbul and Bishkek have been published for the first time. In parallel, a microzonation map in terms of SIR has been incorporated into a risk scenario for the Potenza test site by means of a dedicated regression between spectral intensity (SI) and macroseismic intensity (EMS). The scenario study confirms the importance of site effects within the risk chain. In fact, their introduction into the scenario led to an increase of about 50% in estimates of the number of buildings that would be partially or totally collapsed. Last, but not least, considering that the approach developed and applied in this work is based on measurements of seismic noise, their reliability has been assessed. A theoretical model describing the self-noise curves of different instruments usually adopted in microzonation studies (e.g., those used in Potenza, Istanbul and Bishkek) have been considered and compared with empirical data recorded in Cologne (Germany) and Gubbio (Italy). The results show that, depending on the geological and environmental conditions, the instrumental noise could severely bias the results obtained by recording and analysing ambient noise. Therefore, in this work I also provide some guidelines for measuring seismic noise.
N2  - Aufgrund des enormen Wachstums neuer Megastädte und deren Vordringen in gefährdete Gebiete auf der einen Seite sowie der mangelnden Erdbebenvorsorge in vielen Entwicklungsländern auf der anderen Seite sind verbesserte Verfahren für die Beurteilung der Gefährdung sowie eine rasche Umsetzung bei der Raumplanung erforderlich. Im Rahmen der seismischen Gefährdungsabschätzung spielt insbesondere die Beurteilung lokaler Standorteffekte und deren Einfluss auf die durch ein Erdbeben verursachte räumliche Verteilung der Bodenerschütterung eine wichtige Rolle. Es ist daher unabdingbar, mittels seismischer Mikrozonierungsstudien diejenigen Bereiche innerhalb dicht besiedelter Gebiete zu ermitteln, in denen ein ähnliches Verhalten im Falle seismischer Anregung erwartet wird, um daraus eine zuverlässige Basis bei der Risikoabschätzung großer städtischer Gebiete zu erhalten. Aufgrund des schnellen Wachstums vieler Großstädte in Entwicklungsländern ist eine seismische Mikrozonierung zwingend erforderlich, stellt aber auch eine große Herausforderung dar; insbesondere müssen Verfahren verfügbar sein, mit deren Hilfe rasch eine Abschätzung der Standorteffekte durchgeführt werden kann. In der vorliegenden Arbeit entwickle ich daher Verfahren für die Untersuchung in Großstädten, die darauf abzielen, nicht-invasiv, kostengünstig und schnell durchführbar zu sein. Damit lassen sich innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums große Gebiete untersuchen, falls der räumlichen Abstand zwischen den Messpunkten klein genug ist, um eine zuverlässige Mikrozonierung zu gewährleisten. Obwohl es eine gegenläufige Tendenz zwischen der Vollständigkeit aller Informationen und der Größe des untersuchten Gebiets gibt, versuche ich, diese Einschränkung durch Verknüpfung zweier Informationsebenen zu umgehen: In der ersten Ebene werden die Standorteffekte für einige Kalibrierungspunkte durch die Analyse von Erdbeben oder mittels anderer geophysikalischer Datensätze (z.B. Scherwellengeschwindigkeitsprofile) bestmöglich abgeschätzt, in der zweiten Ebene werden die Standorteffekte durch Einzelstationsmessungen des seismischen Rauschens für ein größeres Gebiet bestimmt. Die Mikrozonierung erfolgt hierbei mittels spezifischer, fallabhängiger Parameter unter Berücksichtigung eines geeigneten Anknüpfungspunktes zwischen den beiden Informationensebenen. Um diesen Ansatz der Mikrozonierung, der in dieser Arbeit verfolgt wurde, zu präzisieren, wurden in Potenza (Italien), wo eine beträchtliche Menge an Daten verfügbar war, verschiedene Verfahren untersucht. Insbesondere kann das Spektralverhältnis zwischen den horizontalen und vertikalen Seismometerkomponenten, welche für das seismische Rauschen an mehreren Orten aufgenommen wurde, als eine erste Näherung für die relative Verstärkung der Bodenbewegung verwendet werden, um darauf aufbauend die beiden Informationsebenen zu verknüpfen und eine Mikrozonierung hinsichtlich des Verhältnisses der spektralen Intensität durchzuführen. Anschließend führte ich diesen Zwei-Ebenen-Ansatz auch für Istanbul (Türkei) und Bischkek (Kirgisistan) durch. Für die Mikrozonierung dieser beiden Städte habe ich denselben Hybridansatz, der Daten von Erdbeben und von seismischem Rauschen verbindet, verwendet. Für beide Städte wurde nach Gegenüberstellung der Resonanzfrequenz des Untergrunds, die zum einen mit Hilfe des seismischen Rauschens, zum anderen durch Analyse von Erdbebendaten bestimmt worden ist (erste Ebene), eine Karte der Resonanzfrequenz unter Verwendung weiterer Messungen des seismischen Rauschens innerhalb des Stadtgebiets erstellt (zweite Ebene). Durch die Anwendung dieses neuen Ansatzes sind vor kurzem zum ersten Mal auch Karten für die Resonanzfrequenz des Untergrunds für Istanbul und Bischkek veröffentlicht worden. Parallel dazu wurde für das Testgebiet in Potenza eine auf dem spektralen Intensitätsverhältnis (SIR) basierende Mikrozonierungskarte in ein Risikoszenario mittels der Regression zwischen SIR und makroseismischer Intensität (EMS) integriert. Diese Szenariostudie bestätigt die Bedeutung von Standorteffekten innerhalb der Risikokette; insbesondere führt deren Einbeziehung in das Szenario zu einem Anstieg von etwa 50% bei der Zahl der Gebäude, für die ein teilweiser oder gar vollständiger Zusammenbruch erwartet werden kann. Abschließend wurde der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte und angewandte Ansatz auf seine Zuverlässigkeit geprüft. Ein theoretisches Modell, das zur Beschreibung des Eigenrauschens verschiedener Instrumente, die in der Regel in Mikrozonierungsstudien (z. B. in Potenza, Istanbul und Bischkek) zum Einsatz kommen, wurde untersucht, und die Ergebnisse wurden mit Daten verglichen, die vorher bereits in Köln (Deutschland) und Gubbio (Italien) aufgenommen worden waren. Die Ergebnisse zeigen, dass abhängig von den geologischen und umgebenden Bedingungen das Eigenrauschen der Geräte die Ergebnisse bei der Analyse des seismischen Rauschens stark verzerren kann. Deshalb liefere ich in dieser Arbeit auch einige Leitlinien für die Durchführung von Messungen des seismischen Rauschens.
KW  - instrumentelle Seismologie
KW  - Standorteffekte
KW  - Korrelation
KW  - seismische Rauschen
KW  - instrumental seismology
KW  - site effects
KW  - correlation
KW  - seismic noise
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-53807
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pilz, Marco
T1  - A comparison of proxies for seismic site conditions and amplification for the large urban area of Santiago de Chile
T1  - Ein Vergleich seismischer Parameter für die Standort- und Verstärkungsabschätzung im Stadtgebiet von Santiago de Chile
N2  - Situated in an active tectonic region, Santiago de Chile, the country´s capital with more than six million inhabitants, faces tremendous earthquake hazard. Macroseismic data for the 1985 Valparaiso and the 2010 Maule events show large variations in the distribution of damage to buildings within short distances indicating strong influence of local sediments and the shape of the sediment-bedrock interface on ground motion. Therefore, a temporary seismic network was installed in the urban area for recording earthquake activity, and a study was carried out aiming to estimate site amplification derived from earthquake data and ambient noise. The analysis of earthquake data shows significant dependence on the local geological structure with regards to amplitude and duration. Moreover, the analysis of noise spectral ratios shows that they can provide a lower bound in amplitude for site amplification and, since no variability in terms of time and amplitude is observed, that it is possible to map the fundamental resonance frequency of the soil for a 26 km x 12 km area in the northern part of the Santiago de Chile basin. By inverting the noise spectral rations, local shear wave velocity profiles could be derived under the constraint of the thickness of the sedimentary cover which had previously been determined by gravimetric measurements. The resulting 3D model was derived by interpolation between the single shear wave velocity profiles and shows locally good agreement with the few existing velocity profile data, but allows the entire area, as well as deeper parts of the basin, to be represented in greater detail. The wealth of available data allowed further to check if any correlation between the shear wave velocity in the uppermost 30 m (vs30) and the slope of topography, a new technique recently proposed by Wald and Allen (2007), exists on a local scale. While one lithology might provide a greater scatter in the velocity values for the investigated area, almost no correlation between topographic gradient and calculated vs30 exists, whereas a better link is found between vs30 and the local geology. When comparing the vs30 distribution with the MSK intensities for the 1985 Valparaiso event it becomes clear that high intensities are found where the expected vs30 values are low and over a thick sedimentary cover. Although this evidence cannot be generalized for all possible earthquakes, it indicates the influence of site effects modifying the ground motion when earthquakes occur well outside of the Santiago basin. Using the attained knowledge on the basin characteristics, simulations of strong ground motion within the Santiago Metropolitan area were carried out by means of the spectral element technique. The simulation of a regional event, which has also been recorded by a dense network installed in the city of Santiago for recording aftershock activity following the 27 February 2010 Maule earthquake, shows that the model is capable to realistically calculate ground motion in terms of amplitude, duration, and frequency and, moreover, that the surface topography and the shape of the sediment bedrock interface strongly modify ground motion in the Santiago basin. An examination on the dependency of ground motion on the hypocenter location for a hypothetical event occurring along the active San Ramón fault, which is crossing the eastern outskirts of the city, shows that the unfavorable interaction between fault rupture, radiation mechanism, and complex geological conditions in the near-field may give rise to large values of peak ground velocity and therefore considerably increase the level of seismic risk for Santiago de Chile.
N2  - Aufgrund ihrer Lage in einem tektonisch aktiven Gebiet ist Santiago de Chile, die Hauptstadt des Landes mit mehr als sechs Millionen Einwohnern, einer großen Erdbebengefährdung ausgesetzt. Darüberhinaus zeigen makroseismische Daten für das 1985 Valparaiso- und das 2010 Maule-Erdbeben eine räumlich unterschiedliche Verteilung der an den Gebäuden festgestellten Schäden; dies weist auf einen starken Einfluss der unterliegenden Sedimentschichten und der Gestalt der Grenzfläche zwischen den Sedimenten und dem Festgestein auf die Bodenbewegung hin. Zu diesem Zweck wurde in der Stadt ein seismisches Netzwerk für die Aufzeichnung der Bodenbewegung installiert, um die auftretende Untergrundverstärkung mittels Erdbebendaten und seismischem Rauschen abzuschätzen. Dabei zeigt sich für die Erdbebendaten eine deutliche Abhängigkeit von der Struktur des Untergrunds hinsichtlich der Amplitude der Erschütterung und ihrer Dauer. Die Untersuchung der aus seismischem Rauschen gewonnenen horizontal-zu-vertikal-(H/V) Spektral-verhältnisse zeigt, dass diese Ergebnisse nur einen unteren Grenzwert für die Bodenverstärkung liefern können. Weil jedoch andererseits keine zeitliche Veränderung bei der Gestalt dieser Spektralverhältnisse festgestellt werden konnte, erlauben die Ergebnisse ferner, die Resonanzfrequenz des Untergrundes für ein 26 km x 12 km großes Gebiet im Nordteil der Stadt zu bestimmen. Unter Zuhilfenahme von Informationen über die Dicke der Sedimentschichten, welche im vorhinein schon durch gravimetrische Messungen bestimmt worden war, konnten nach Inversion der H/V-Spektralverhältnisse lokale Scherwellengeschwindigkeitsprofile und nach Interpolation zwischen den einzelnen Profilen ein dreidimensionales Modell berechnet werden. Darüberhinaus wurde mit den verfügbaren Daten untersucht, ob auf lokaler Ebene ein Zusammenhang zwischen der mittleren Scherwellengeschwindigkeit in den obersten 30 m (vs30) und dem Gefälle existiert, ein Verfahren, welches kürzlich von Wald und Allen (2007) vorgestellt wurde. Da für jede lithologische Einheit eine starke Streuung für die seismischen Geschwindigkeiten gefunden wurde, konnte kein Zusammenhang zwischen dem Gefälle und vs30 hergestellt werden; demgegenüber besteht zumindest ein tendenzieller Zusammenhang zwischen vs30 und der unterliegenden Geologie. Ein Vergleich der Verteilung von vs30 mit den MKS-Intensitäten für das 1985 Valparaiso-Erdbeben in Santiago zeigt, dass hohe Intensitätswerte vor allem in Bereichen geringer vs30-Werte und dicker Sedimentschichten auftraten. Weiterhin ermöglichte die Kenntnis über das Sedimentbeckens Simulationen der Bodenbewegung mittels eines spektralen-Elemente-Verfahrens. Die Simulation eines regionalen Erdbebens, welches auch von einem dichten seismischen Netzwerk aufgezeichnet wurde, das im Stadtgebiet von Santiago infolge des Maule-Erdbebens am 27. Februar 2010 installiert wurde, zeigt, dass das Modell des Sedimentbeckens realistische Berechnungen hinsichtlich Amplitude, Dauer und Frequenz erlaubt und die ausgeprägte Topographie in Verbindung mit der Form der Grenzfläche zwischen den Sedimenten und dem Festgestein starken Einfluss auf die Bodenbewegung haben. Weitere Untersuchungen zur Abhängigkeit der Bodenerschütterung von der Position des Hypozentrums für ein hypothetisches Erdbeben an der San Ramón-Verwerfung, welche die östlichen Vororte der Stadt kreuzt, zeigen, dass die ungünstige Wechselwirkung zwischen dem Verlauf des Bruchs, der Abstrahlung der Energie und der komplexen geologischen Gegebenheiten hohe Werte bei der maximalen Bodengeschwindigkeit erzeugen kann. Dies führt zu einer signifikanten Zunahme des seismischen Risikos für Santiago de Chile.
KW  - Standorteffekte
KW  - seismisches Rauschen
KW  - Sedimentbecken
KW  - Simulation
KW  - site effects
KW  - seismic noise
KW  - sedimentary basin
KW  - simulation
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52961
ER  -