Seismic risk analysis of buried lifelines [Elektronische Ressource] / von Robert Borsutzky

Robert Borsutzky

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• Publié par: technische_universitat_carolo-wilhelmina_zu_braunschweig
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 38
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 12 Mo

Extrait

BraunschweigerSchriftenzurMechanikNr. 63 2008
SeismicRiskAnalysisofBuriedLifelines
von
RobertBorsutzky
InstitutfürAngewandteMechanik
TechnischeUniversitätBraunschweigHerausgegebenvomMechanik Zentrumder
TechnischenUniversitätBraunschweig
Schriftleiter: Prof. Dr. rer. nat. H.Antes
InstitutfürAngewandteMechanik
Postfach3329
38023Braunschweig
VonderFakultätArchitektur,BauingenieurwesenundUmweltwissenschaften
derTechnischenUniversitätCarolo WilhelminazuBraunschweig
zurErlangungdesGradeseinesDoktor Ingenieur(Dr. Ing.)
genehmigteDissertation
Eingereichtam10. Oktober2007
MündlichePrüfungam23. November2007
Berichterstatter
Prof. Dr. rer. nat. H.Antes
Prof. Dr. Ing. T.Crespellani
Copyright2008 R.Borsutzky,Braunschweig
BSM63 2008
ISBN978 3 920395 62 3
AlleRechte,insbesonderederÜbersetzunginfremdeSprachen,vorbehalten.
MitGenehmigungdesAutorsistesgestattet,diesesHeftganzoderteilweise
zuvervielfältigen.



Seismic Risk Analysis of Buried Lifelines

Dissertation

submitted to and approved by the

Faculty of Architecture, Civil Engineering and Environmental Sciences
University of Braunschweig – Institute of Technology
and the
Faculty of Engineering
University of Florence

in candidacy for the degree of a
Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) /
*)Dottore di Ricerca in Risk Management on the Built Environment

by
Robert Borsutzky
from Hamburg, Germany

Submitted on 10 October 2007
Oral examination on 23 November 2007
Professorial advisors Prof. Heinz Antes
Prof. Teresa Crespellani

2008
*) Either the German or the Italian form of the title may be used. Thedissertationispublishedinanelectronicformby
theBraunschweiguniversitylibraryattheaddress
http://www.biblio.tu bs.de/ediss/data/Abstract
In seismic prone areas, the earthquake resistance of lifelines plays a role of particular importance for
civilisation. Seismically caused failure of lifelines can result in disastrous events. Due to the grave
consequences of those failures in past earthquakes, the need for reliable models examining the dynamic
responseoflifelinesunderearthquakeexcitationgrows.
In this thesis, a methodology is developed to analyse the damage risk of buried lifelines exposed to
seismicwavepropagation. Thisriskanalysiscoverstheprobabilitiesofhazardoccurrence,exposureand
vulnerability. In order to reach this aim, a three dimensional numerical model is developed to analyse
the dynamic response of pipelines embedded in soil. Thereby, the emphasis is placed on three topics:
the incorporation of dynamic soil structure interaction enabling wave radiation to infinity, the advanced
modellingofseismicexcitation,andtheover allconsiderationofuncertainties.
A hybrid finite element scaled boundary finite element method is presented to examine soil structure
interaction. Whereas the finite element method enables a detailed modelling of the near field, i.e., the
domain containing pipe and soil, the scaled boundary finite element method fulfils the wave radiation
condition at infinity. In the latter method, increase of efficiency is achieved by reducing the non locality
inspaceandtimealongwithemployingsubstructuringtechniqueswithoutlossesofaccuracy.
For modelling seismic wave propagation in the near field, a novel procedure based on the domain re
duction method is introduced which includes two steps. In the first step, a large scale simulation of the
earthquake is performed by means of numerical Green’s functions. The earthquake source is modelled
as finite fault with a complex slip distribution. From this first step, forces equivalent to the seismic
source are determined and applied to the hybrid model, described above. Thus, realistic seismic wave
propagationinsidethenear fieldcanbemodelled.
Thereupon, an integrated probabilistic analysis is performed, which includes parameters of the entire
seismic wave propagation path, starting from the earthquake source, through the earth crust and the soil
andendingupattheburiedlifeline. Forthisprocessapointestimatemethodisemployedwhichenables
anefficientandreliabledeterminationofthefailureprobabilityofthepipeline. Anotheradvantageisthe
compatibilitytodeterministicfiniteelementmethods.
The applicability of the present methodology is demonstrated by a simulation of a real earthquake and
the application to parts of a lifeline network of a municipality in Emilia Romagna, Italy. Furthermore,
an extended parameter study is performed to exhibit the effects of computational aspects as well as of
seismicparameters,ofpipedesignandofconstructiondetails.
Thepresentworkintroducesasophisticatedtoolforanintegratedanalysisofthedamageseismicriskof
underground lifelines. Nevertheless, the present methodology is not only applicable to buried lifelines
buttoanyotherstructureorregionofinterestunderseismicwaveexcitation.Zusammenfassung
In seismisch gefährdeten Gebieten ist die Widerstandsfähigkeit von Versorgungsleitungen - so genan
nten Lifelines - gegen Erdbeben von zentraler Bedeutung für die Zivilisation. Das seismisch bedingte
Versagen von Lifelines und dessen desaströse Folgen offenbaren die Notwendigkeit von verlässlichen
Modellen, die das dynamische Antwortverhalten dieser unterirdischen Strukturen unter Erdbebenein
wirkungrealistischabbildenkönnen.
In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode entwickelt, durch welche das Schadensrisiko von un
terirdischen Versorgungsleitungen infolge von seismischen Wellenausbreitungseffekten analysiert wer-
den kann. Diese Risikoanalyse umfasst die Wahrscheinlichkeiten des Auftretens der Gefährdung, der
Aussetzung sowie der Verwundbarkeit. Zur Durchführung der Analyse wird ein dreidimensionales
numerisches Modell entwickelt, welches das dynamische Verhalten von erdverlegten Rohrleitungen
beschreibt. Bei der Entwicklung wurden drei Schwerpunkte gesetzt: die detaillierte Modellierung der
dynamischen Boden Bauwerk Wechselwirkung unter Berücksichtigung der Wellenabstrahlung ins Un
endliche, die realistische Modellierung der seismischen Anregung sowie die globale Berücksichtigung
vonUnsicherheiten.
ZurUntersuchungderBoden Bauwerk WechselwirkungwirdeinehybrideFiniteElement ScaledBoun
dary Finite Element Methode verwendet, wobei die Finite Element Methode eine genaue Abbildung
des Nahfeldes (Boden und Rohrleitung) ermöglicht und die Scaled Boundary Finite Element Methode
die Wellenabstrahlung ins Unendliche. In letztgenannter Methode können Effizienzsteigerungen ohne
Genauigkeitsverluste durch die Reduzierung der Nichtlokalitäten in Raum und Zeit als auch durch den
EinsatzvonSubstrukturmethodenerreichtwerden.
ZurModellierungderseismischenWellenausbreitungimNahfeldwirdeineneuartigeProzedurbasierend
auf der Domain Reduction Method vorgestellt, welche zwei Schritte beinhaltet. Im ersten Schritt wird
eine großmaßstäbliche Simulation des Erdbebens mit Hilfe von numerischen Green’schen Funktionen
durchführt, bei welcher die Erdbebenquelle als komplexe, endliche Verwerfung modelliert wird. Aus
diesem ersten Schritt werden Kräfte äquivalent zur Erdbebenquelle ermittelt und im zweiten Schritt auf
das oben beschriebene hybride Modell aufgebracht. Diese Methode ermöglicht die Modellierung einer
realistischenseismischenWellenausbreitunginnerhalbdesNahfeldes.
Darauf aufbauend wird eine ganzheitliche probabilistische Analyse durchgeführt, welche Parameter des
kompletten Ausbreitungspfades der seismischen Wellen - angefangen bei der Erdbebenquelle, durch
die Erdkruste, bis hin zur unterirdischen Versorgungsleitung - einbindet. Für dieses Verfahren wird
einPunktschätzverfahreneingesetzt,welcheseinerseitseineeffizienteundverlässlicheBestimmung der
Versagenswahrscheinlichkeit einer Rohrleitung ermöglicht und andererseits kompatibel zu determinis
tischenFiniteElementMethodenist.
Die Anwendbarkeit der vorgestellten Methode wird anhand der Simulation eines realen Erdbebens und
der Analyse von Teilen eines Lifeline Netzwerks in einer Gemeinde in der Emilia Romagna, Italien,
demonstriert. DarüberhinauswirdeineumfassendeParameterstudiedurchgeführt,umdieEinflüssevon
numerischenAspektenalsauchvonseismischenParameternundvonKonstruktionsdetailsaufzuzeigen.
DievorliegendeArbeitstelltdamiteinWerkzeugzurganzheitlichenAnalysedesseismischenSchadens
risikos von unterirdischen Versorgungsleitungen zur Verfügung. Der Einsatz der vorgestellten Methode
ist nicht nur auf unterirdische Versor beschränkt, sondern erstreckt sich auch auf jede
andereStrukturoderRegion,welcheeinerseismischenWellenbelastungausgesetztist.Acknowledgments
This thesis originates from my research work at the universities of Braunschweig and Florence during
theyears2003to2007.
Initially, I thank Prof. Dr. Heinz Antes who gave me the opportunity to do research at the Institut für
AngewandteMechanikoftheTechnischeUniversitätBraunschweigandwhoattendedtheprogressofthe
work with enduring interest. My particular gratitude goes to PD Dr. Lutz Lehmann for his permanent
openness to scientific discussions, his extensive review of this dissertation and his amicable counsel
whichdefinitelyenrichedthiswork.
I thank my Italian tutors Prof. Dr. Teresa Crespellani und Prof. Dr. Giovanni Vannucchi from