Seismic zoning of Kyiv in physical parameters of soil oscillations

Abstract

Мета. У роботі обґрунтовано необхідність побудови карт сейсмічного зонування Києва в фізичних термінах коливань ґрунту: пікових прискореннях (PGA), пікових швидкостях (PGV) або пікових зміщеннях (PGD), які є основою для ефективного використання методів розрахунку сейсмічних навантажень на будинки, споруди та окремі відповідальні конструкції. Проміжним етапом створення таких карт є розроблення карти сейсмічного зонування (районування) території Києва в термінах відносних інтегральних оцінок спектральних приростів у сейсмічних коливаннях ґрунту, які виникають за рахунок впливу особливостей розподілу фізичних параметрів ґрунтових комплексів. Проміжна карта дає розподіл на території міста кількісної оцінки впливу спектральних характеристик ґрунтових комплексів на сейсмічну небезпеку, виражену системними фізичними величинами. Методика. Застосовано аналітично-емпіричний підхід до картування сейсмічної небезпеки територій. У межах території Києва методом сейсмогеологічних аналогій виділено ділянки (таксонометричні зони), на яких сейсмічний ефект може суттєво відрізнятися як за фізичними параметрами: зміщення, швидкість, прискорення, так і за здатністю ґрунтових товщ істотно впливати на спектральні характеристики ґрунтових комплексів. Для кожної таксонометричної зони побудовано розрахункову сейсмогеологічну модель із параметрами непружного деформування, які дають змогу врахувати виникнення нелінійних ефектів у разі значних сейсмічних впливів. Методом еквівалентного лінійного моделювання розраховано частотні характеристики ґрунтових моделей кожної таксонометричної зони. Розраховано усереднену амплітудно-частотну характеристику для ґрунтових умов території Києва. Побудовано карту розподілу відхилення інтегрального коефіцієнта підсилення ґрунтами сейсмічних коливань від середнього значення для території Києва. Інтегральним коефіцієнтом спектрального підсилення прийнято площу підспектральної функції. Виконано динамічний аналіз поширення сейсмічних коливань у сейсмоґеологічних моделях та проілюстровано вплив верхнього осадового шару на значення пікових прискорень ґрунту PGA на вільній поверхні. Наукова новизна. Вперше в межах території Києва виділено ділянки (таксонометричні зони), на яких відрізнятиметься реакція ґрунтової товщі на сейсмічний вплив. Побудовано карту розподілу відхилення інтегрального коефіцієнта підсилення ґрунтами сейсмічних коливань від середнього значення для території Києва. Практична значущість. Карту сейсмічного зонування (районування) Києва в амплітудних термінах коливань ґрунту запропоновано використовувати у разі застосування спектрального методу розрахунку на аварійне сполучення навантажень з урахуванням сейсмічного впливу для визначення значення розрахункових відносних прискорень ґрунту досліджуваного будівельного майданчика

Purpose. The paper substantiates the need for building seismic zoning maps of Kyiv in the physical parameters of ground motions: peak ground accelerations (PGA), peak ground velocities (PGV) or peak ground displacements (PGD). They are the basis for the effective use of methods for calculating seismic loads on buildings, structures and individual responsible constructions. An intermediate stage in the creation of such maps is the development of a map of seismic zoning the territory of Kyiv in terms of relative integral estimates of spectral increments in seismic soil oscillations, arising from the influence of the peculiarities of the distribution of physical parameters of soils. The intermediate map gives the distribution over the city territory of a quantitative assessment of the influence of the soil spectral characteristics l on the seismic hazard, expressed in systemic physical quantities. Methodology. An analytical-empirical approach to mapping the seismic hazard of territories is applied. The method of seismic-geological analogies helped to identify areas (taxonomic zones) within the territory of Kyiv. In these areas, the seismic effect can differ significantly both in physical parameters ( displacement, speed, acceleration) and the ability of soil strata to significantly affect the spectral characteristics of the soil. Results. For each taxonomic zone, a computational seismic-geological model with inelastic deformation parameters has been built,.The model allows taking into account the occurrence of nonlinear effects under significant seismic influences. Equivalent linear modeling was used to calculate the frequency response of seismic-geological soil models for each taxonomic zone. The averaged frequency response for the ground conditions of the territory of Kyiv was calculated. A map of the distribution of the deviation of the integral amplification of seismic oscillations from the average value for the territory of Kyiv was built. The integral spectral amplification is the area of the subspectral function. The study conducted a dynamic analysis of the propagation of seismic oscillations in seismic-geological models. It also illustrated the influence of the upper sedimentary layer on the value of the peak ground acceleration PGA on the free surface. Originality. For the first time within the territory of Kyiv, areas (taxonomic zones) have been identified, where the response of the soil to the seismic effect will differ. We constructed a map of the distribution of the deviation of the integral amplification of seismic oscillations by soils from the average value for the territory of Kyiv. Practical significance. The map of seismic zoning of Kyiv in amplitude terms of soil oscillations is proposed to be used when applying the spectral method for calculating an emergency combination of loads, taking into account seismic effects, to determine the value of the calculated relative ground accelerations of the construction site under study.