Seismic performance improvement of underground structures through a low lateral stiffness design

Abstract

(English) Recent decades have witnessed varying degrees of damage in underground structures, including instances of structural collapse, reported during post-earthquake hazard investigations. Therefore, the research on the seismic performance improvement of buried structures against ground motion received increasing attention. Given the importance of this issue, the main objective of this work is to provide an effective seismic mitigation measure and to study the feasibility of the proposed solution. This Thesis presents (Chapter 2) a summary of the seismic performance and design methods of underground structures, discusses the seismic damage reduction measures, provides an overview of the previous research, offers recommendations to researchers, and identifies research needs. An enhanced seismic performance evaluation method is introduced (Chapter 3) for underground structures with a common isolation strategy of column bearing; the selection of performance indicator (i.e. target drifts of sidewall) is one of the major contributions of this research. The introduction of bearing eliminates the vulnerability of the interior column as a seismic-prone component. In this case, utilizing the drift ratio of the interior column as the evaluation index would result in an underestimation of the structural seismic response. Thirty-one representative actual subway stations featured with various structural forms, soil types, and burial depths are analyzed considering horizontal and vertical seismic effects. The corresponding drift thresholds are determined for each individual station, then global average values for the two considered cases (traditional rigid layout and column bearing) are proposed. The rationality of the seismic performance quantification system is verified by comparison with observed damage (Daikai station, traditional rigid solution) and experimental results (shaking table test of reduced scale model with column bearing as the seismic damage reduction measure). Underground structure with articulated (or sliding) components implementing low lateral stiffness is proposed (Chapter 4 and Chapter 5) being another major contribution of this study. Contrary to traditional rigid box sections, the low lateral stiffness solution would be significantly less affected by seismic waves, as would simply accommodate the imposed strains. The well-known Daikai station, damaged by the 1995 Kobe earthquake is analyzed as a highly relevant case study. Detailed discussions have been conducted on the design of sliding-hinged components, waterproofing systems, and construction processes. The results of the static and dynamic analyses are satisfactorily compared; they prove that the proposed flexible solution is fully feasible and provides improved seismic performance. Complemented by a 2-story 3-bay subway station, the outcomes of these two studies could contribute to ground this constructive solution for shallow underground rectangular cut-and-cover structures in seismic areas (both for new construction and retrofit). This Thesis presents also (Chapter 6) a parametric analysis to study the seismic performance improvement of the low lateral stiffness solution for underground structures in the most common situations. In comparison to the traditional structures with rigid connections, the seismic response of the low lateral stiffness solution influenced by the geometry form, soil type, burial depth, engineering bedrock position is investigated. The performance indices consist of the maximum drift ratio and damage variables. The distinctive features are the careful selection of parameters and of performance indices, the horizontal and vertical ground motions, and, the implementation of the low lateral stiffness. The obtained results highlight the feasibility of the proposed low lateral stiffness solution for seismic performance upgrading of underground structures; the influence of the aforementioned parameters is discussed.

(Català) Les darreres dècades han estat testimonis de diversos graus de dany en les estructures subterrànies, deguts a terratrèmols. Per això, lestudi de la millora del comportament sísmic de les estructures enterrades ha rebut una atenció creixent. L'objectiu principal d'aquest treball és proposar una mesura efectiva de mitigació sísmica i estudiar-ne la factibilitat. identifica les necessitats de recerca. Es presenta un mètode millorat d'avaluació de l'exercici sísmic (Capítol 3) per a estructures subterrànies amb una estratègia d'aïllament de suport de columna; la selecció de lindicador de rendiment (és a dir, desviacions objectiu de la paret lateral) és una de les principals contribucions daquesta investigació. La introducció de suport lliscant elimina la vulnerabilitat de la columna interior. En aquest cas, utilitzar la relació de deriva de la columna interior com a índex davaluació resultaria en una subestimació de la resposta sísmica estructural. S'analitzen trenta-una estacions de metro reals representatives amb diverses formes estructurals, tipus de sòl i profunditats considerant els efectes sísmics horitzontals i verticals. Es determinen els llindars de deriva corresponents per a cada estació individual, i es proposen valors promig globals per als dos casos considerats (tradicional disposició rígida i suport de columna). La quantificació de l'exercici sísmic es verifica mitjançant la comparació amb el dany observat (estació Daikai, solució rígida tradicional) i els resultats experimentals (assaig de taula vibratòria del model a escala reduïda amb suport de columna com a mesura de reducció del dany sísmic). proposa una estructura subterrània amb components articulats (o lliscants) que implementen una rigidesa lateral baixa (Capítols 4 i 5), i una altra contribució important d'aquest estudi. A diferència de les seccions de calaix rígid tradicionals, la solució de baixa rigidesa lateral es veuria significativament menys afectada per les ones sísmiques, ja que simplement acomodaria les deformacions imposades. La coneguda estació de Daikai, malmesa pel terratrèmol de Kobe del 1995, s'analitza com un cas d'estudi de gran rellevància. S'han fet discussions detallades sobre el disseny de ròtules i suports lliscants, sistemes d'impermeabilització i processos de construcció. Els resultats de les anàlisis estàtiques i dinàmiques es comparen satisfactòriament; proven que la solució flexible proposada és totalment factible i proporciona un rendiment sísmic millorat. S'hi analitza una estació de metro de 2 pisos i 3 vies. Els resultats d'aquests dos estudis podrien contribuir a fonamentar aquesta solució constructiva per a estructures rectangulars subterrànies poc profundes en àrees sísmiques (tant per a noves construccions com per a remodelacions). Aquesta Tesi presenta també (Capítol 6) una anàlisi paramètrica per estudiar la millora del comportament sísmic de la solució de baixa rigidesa lateral per a estructures subterrànies en les situacions més comunes. En comparació de les estructures tradicionals amb connexions rígides, s'investiga la resposta sísmica de la solució de rigidesa lateral baixa influenciada per la forma geomètrica, el tipus de sòl, la profunditat i la posició de la base rocosa. Els índexs de rendiment consisteixen en la relació de deriva màxima i les variables de danys. Les característiques distintives són la selecció acurada dels paràmetres i dels índexs d'acompliment, els moviments horitzontals i verticals del terra i la implementació de la rigidesa lateral baixa. Els resultats obtinguts destaquen la factibilitat de la solució de baixa rigidesa lateral proposada per millorar l'exercici sísmic d'estructures subterrànies.

(Español) Las últimas décadas han sido testigos de diversos grados de daño en las estructuras subterráneas, debidos a terremotos. Por ello, el estudio de la mejora del comportamiento sísmico de las estructuras enterradas ha recibido una atención creciente. El objetivo principal de este trabajo es proponer una medida efectiva de mitigación sísmica y estudiar su factibilidad.Esta Tesis presenta (Capítulo 2) un resumen del desempeño sísmico y los métodos de diseño de estructuras subterráneas, analiza las medidas de reducción de daños sísmicos, e identifica las necesidades de investigación.Se presenta un método mejorado de evaluación del desempeño sísmico (Capítulo 3) para estructuras subterráneas con una estrategia de aislamiento de soporte de columna; la selección del indicador de rendimiento (es decir, desviaciones objetivo de la pared lateral) es una de las principales contribuciones de esta investigación. La introducción de apoyo deslizante elimina la vulnerabilidad de la columna interior. En este caso, utilizar la relación de deriva de la columna interior como índice de evaluación resultaría en una subestimación de la respuesta sísmica estructural. Se analizan treinta y una estaciones de metro reales representativas con diversas formas estructurales, tipos de suelo y profundidades considerando los efectos sísmicos horizontales y verticales. Se determinan los umbrales de deriva correspondientes para cada estación individual, y se proponen valores promedio globales para los dos casos considerados (tradicional disposición rígida y soporte de columna). La cuantificación del desempeño sísmico se verifica mediante la comparación con el daño observado (estación Daikai, solución rígida tradicional) y los resultados experimentales (ensayo de mesa vibratoria del modelo a escala reducida con soporte de columna como medida de reducción del daño sísmico).Se propone una estructura subterránea con componentes articulados (o deslizantes) que implementan una rigidez lateral baja (Capítulos 4 y 5), siendo otra contribución importante de este estudio. A diferencia de las secciones de cajón rígido tradicionales, la solución de baja rigidez lateral se vería significativamente menos afectada por las ondas sísmicas, ya que simplemente acomodaría las deformaciones impuestas. La conocida estación de Daikai, dañada por el terremoto de Kobe de 1995, se analiza como un caso de estudio de gran relevancia. Se han llevado a cabo discusiones detalladas sobre el diseño de rótulas y apoyos deslizantes, sistemas de impermeabilización y procesos de construcción. Los resultados de los análisis estáticos y dinámicos se comparan satisfactoriamente; prueban que la solución flexible propuesta es totalmente factible y proporciona un rendimiento sísmico mejorado. Se analiza una estación de metro de 2 pisos y 3 vías. Los resultados de estos dos estudios podrían contribuir a fundamentar esta solución constructiva para estructuras rectangulares subterráneas poco profundas en áreas sísmicas (tanto para nuevas construcciones como para remodelaciones).Esta Tesis presenta también (Capítulo 6) un análisis paramétrico para estudiar la mejora del comportamiento sísmico de la solución de baja rigidez lateral para estructuras subterráneas en las situaciones más comunes. En comparación con las estructuras tradicionales con conexiones rígidas, se investiga la respuesta sísmica de la solución de rigidez lateral baja influenciada por la forma geométrica, el tipo de suelo, la profundidad y la posición de la base rocosa. Los índices de rendimiento consisten en la relación de deriva máxima y las variables de daño. Las características distintivas son la selección cuidadosa de los parámetros y de los índices de desempeño, los movimientos horizontales y verticales del suelo y la implementación de la rigidez lateral baja. Los resultados obtenidos destacan la factibilidad de la solución de baja rigidez lateral propuesta para mejorar el desempeño sísmico de estructuras subterráneas.