Structural behavior due to cascading earthquake and tsunami actions

Cláudia Vanessa Dias Reis

Key information

Authors:

Cláudia Vanessa Dias Reis (Cláudia Vanessa Dias Reis)

Supervisors:

Mário Manuel Paisana dos Santos Lopes (Mário Manuel Paisana dos Santos Lopes); Stephane Louis Clain; Maria Ana Carvalho Viana Baptista

Published in

11/30/2022

Abstract

Os indicadores urbanísticos e demográficos preveem que a distribuição espacial mantenha a tendência irregular de crescimento privilegiado em zonas costeiras. No entanto, este crescimento coexiste sem particular planeamento dos aglomerados, mesmo em regiões suscetíveis de serem afetadas por perigos de origem natural com potencial catastrófico, como os tsunamis com origem em sismos de elevada magnitude. A resiliência societal e ambiental destas comunidades é, portanto, substancialmente dependente do desempenho das estruturas implementadas ao longo da costa. Todavia, tsunamis recentes com fonte regional ou local demonstraram que as estruturas previamente expostas aos sismos podem perder parcial ou totalmente a sua capacidade de resistência ao subsequente tsunami, evidenciando a escassez de critérios de dimensionamento a considerar o efeito em cascata do sismo e do tsunami. No entanto, a caracterização do fenómeno natural e da respetiva resposta estrutural é complexa e multidisciplinar, envolvendo várias incertezas epistémicas, domínios multi-escala e processos multi-físicos. O principal objetivo desta dissertação é contribuir para caracterizar o fenómeno natural e o comportamento de estruturas sujeitas ao efeito de cascata das ações do sismo e do tsunami. A conceptualização da metodologia numérica contempla as diferentes etapas do problema, desde a génese do evento até à resposta da estrutura, considerando as variáveis endógenas aos modelos numéricos e exógenas inerentes ao processo físico. Os esquemas numéricos e técnicas de acoplamento usados para modelar as diferentes escalas espácio-temporais foram submetidos a um exaustivo processo de verificação e validação, correlacionando as soluções numéricas com soluções analíticas, dados laboratoriais e registos instrumentais de eventos reais. A aplicação do conceito tem por objeto a infraestrutura que serve de Terminal de Contentores no porto marítimo de águas profundas em Sines se sujeito à ação em cascata do sismo e tsunami semelhantes ao evento ocorrido em 1755. A estrutura está a ser alvo de um plano de expansão que prevê aumentar o movimento, armazenamento e transporte de carga contentorizada, contribuindo para o aumento da competitividade e visibilidade do Porto de Sines numa perspetiva global. A análise numérica para desenvolver a caracterização da ameaça de multi-perigosidade e respetiva vulnerabilidade estrutural considera a estrutura existente e as previsões de futuras configurações ao longo do plano de expansão, permitindo identificar fatores com potencial para comprometer as atividades correntes e de linha de socorro do porto, respetivamente em casos de funcionamento normal e de emergência. Permite também servir de base para procedimentos de gestão de risco, contribuindo para prever os impactos societais e ecológicos, assim como a escalabilidade para uma situação natech. Das análises são derivadas recomendações de caracter preventivo que se inserem no âmbito do desenvolvimento sustentável de infraestruturas costeiras criticas expostas ao perigo de eventos tsunamigénicos extremos. The spatial distribution of the world population is uneven with privileged concentration on coastal regions. The trend is expected to continue in both demographic indicators and urban development rate, being many coastal cities in seismic- and tsunami-prone areas built through informal and unplanned settlements, exposing their population and assets to such hazards. The structural performance of the built environment is one of the man-controlled variables that can influence the social, economic and environmental resilience. Nonetheless, recent tsunami events raised the awareness for the threat of earthquake and tsunami cascading effects on coastal structures and highlighted the paucity of structural design criteria considering the cumulative effects of both. By being exposed to the ground-motion, the structures’ resistance may decrease and become residual/non-existent to support the incoming tsunami, implying an underestimation of the risk. Yet, the characterization of the natural phenomena and the respective structural response is complex and multidisciplinary, involving various epistemic uncertainties, multi-scale domains and multi-physical processes. The key objective of this dissertation is to contribute for the characterization of structural behavior due to cascading seismic and tsunami actions. The conceptualization of the numerical methodology considers endogenous variables of the numerical models and exogenous variables intrinsically related to the physical processes along various stages, from the genesis of the tsunamigenic event to the corresponding structural response. Multiple numerical schemes and coupling techniques to model the various spatial-temporal scales were subjected to an exhaustive benchmarking process, correlating numerical solutions with data from analytic, laboratorial and instrumental records of real events. The proof of concept consists of characterizing the structural behavior of a pile-supported quay serving as terminal container at the Sines deep-water seaport due to the cascading effects of a 1755-alike earthquake and tsunami event. Moreover, the open-type wharf is in expansion phase to increase the cargo capacity and the port competitiveness globally. Multiple configurations resembling the current and future terminal infrastructure(s) were considered along the analyses performed to characterize the multi-hazard effects on the structure and the respective structural vulnerabilities, allowing to identify potential factors that jeopardize the port’s activities, such as current operations and lifeline support, and predict both natech scalability and societal and ecologic impacts. From the analyses are inferred structural recommendations of preventive nature towards the sustainable development of critical coastal structures exposed to tsunamigenic hazard.