Seismic Risk Analysis of Buried Lifelines

Borsutzky, Robert

Das seismisch bedingte Versagen von unterirdischen Versorgungsleitungen (Lifelines) und dessen Folgen offenbaren die Notwendigkeit von verlässlichen Modellen, die das dynamische Antwortverhalten realistisch abbilden. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode entwickelt, durch welche das Schadensrisiko von Lifelines infolge von seismischen Wellenausbreitungseffekten bestimmt werden kann. Zur Durchführung der Analyse wird ein dreidimensionales numerisches Modell entwickelt, welches das dynamische Verhalten von erdverlegten Rohrleitungen beschreibt. Bei der Entwicklung werden drei Schwerpunkte gesetzt: die detaillierte Abbildung der dynamischen Boden-Bauwerk-Wechselwirkung, die realistische Modellierung der seismischen Anregung sowie die globale Berücksichtigung von Unsicherheiten. Zur Untersuchung der Boden-Bauwerk-Wechselwirkung wird eine hybride Finite Element (FE)-Scaled Boundary Finite Element Methode (SBFEM) verwendet, wobei letztere die Wellenabstrahlung ins Unendliche simuliert. Effizienzsteigerungen können unter anderem durch den Einsatz von Substrukturmethoden erreicht werden. Zur Modellierung der seismischen Wellenausbreitung im Nahfeld wird eine Zwei-Schritt-Prozedur basierend auf der Domain Reduction Method vorgestellt. Im ersten Schritt wird eine großmaßstäbliche Simulation des Erdbebens durchführt, woraufhin im zweiten Schritt das Nahfeld mit der hybriden Methode untersucht wird. Diese Prozedur ermöglicht die Modellierung von realistischer seismischer Wellenausbreitung innerhalb des Nahfeldes. Darauf aufbauend wird eine ganzheitliche probabilistische Analyse durchgeführt, die Parameter des kompletten Ausbreitungspfades der seismischen Wellen einbindet. Für dieses Verfahren zur Ermittlung der Versagenswahrscheinlichkeit wird ein Punktschätzverfahren effizient eingesetzt. Parameterstudien zeigen die Anwendbarkeit der vorgestellten Methode, die sich nicht nur auf Rohrleitungen sondern auch auf jede andere Struktur unter seismischer Wellenbelastung erstreckt.

Seismically caused failure of buried 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 response of lifelines under earthquake excitation grows. In the present work, a methodology is developed to analyse the damage risk of buried lifelines exposed to seismic wave propagation. In order to perform this analysis, a three-dimensional numerical model is developed to describe the dynamic response of pipelines embedded in soil. Thereby, the emphasis is placed on three topics: the incorporation of dynamic soil-structure interaction, the advanced modelling of seismic excitation, and the over-all consideration of uncertainties. A hybrid finite element (FE)-scaled boundary finite element method (SBFEM) is presented to examine soil- structure interaction. Whereas the FEM enables a detailed modelling of the near-field, the SBFEM fulfils the wave radiation condition at infinity. In the latter method, increase of efficiency is, amongst others, achieved by employing substructuring techniques without losses of accuracy. For modelling seismic wave propagation in the near-field, a two-step procedure based on the domain reduction method is introduced. In the first step, a large scale simulation of the earthquake is performed, whereon the near- field is examined by the hybrid model. Thus, realistic seismic wave propagation inside the near-field can be modelled. Thereupon, an integrated probabilistic analysis is performed, which includes parameters of the entire seismic wave propagation path. For this process, a point estimate method is employed which enables an efficient and reliable determination of the failure probability of the pipeline. Parameter studies demonstrate the applicability of the present methodology which is not only applicable to lifelines but to any other structure under seismic wave excitation.

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Borsutzky, Robert: Seismic Risk Analysis of Buried Lifelines. 2007.

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