Characterizing ground motion of historical earthquakes. Study of Sant'Agata del Mugello combining building archaeology, earthquake engineering and seismology
Creators
- Montabert, Arnaud
- Universite PSL, Ecole Doctorale no. 560 STEP'UP Sciences de la Terre et de l'Environnement et Physique de l'Univers de Paris, Ecole Normale Superieure, Laboratoire de geologie de l'ENS - LGENS, 24 Rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05 (France)
- Ecole Normale Superieure de Paris - ENS Paris, Archeologie et Philologie d'Orient et d'Occident - AOROC, CNRS UMR8546, 45 Rue d'Ulm, 75230 Paris Cedex 05 (France)
- Institut de Radioprotection et de Surete Nucleaire - IRSN/PSE-ENV/Scan/Berssin - Bureau d'evaluation des risques sismiques pour la surete des installations, F-92260 Fontenay-aux-Roses (France)
Description
A fault is charged during (hundred-) thousand years, then the accumulated elastic energy is released in few seconds when an earthquake occurs. To correctly assess seismic hazard it is of capital importance to study the seismic history. Over the last decades approaches such as historical seismology, archaeoseismology and paleoseismology have been developed chasing alternative sources of information. Among them, historical buildings witnessed ancient earthquakes as 'stone seismometers' recorded in their walls as structural disorders and repairs. I develop an innovative methodology connecting building archaeology, seismology and earthquake engineering. I aim to show that archaeological characterization of post-seismic repairs on historical buildings can successfully infer key ground motion characteristics of historical earthquakes. The test case is the medieval church of Sant'Agata del Mugello, an exceptional site with many historical sources describing the damages induced by past earthquakes, and their renovation. The site is located in the Mugello basin (Central Apennines, Italy, Tuscany), characterized by a moderate seismicity. The largest known events occurred in 1542 (Mw 6) and 1919 (Mw 6.3). I first trace the seismic history of the church by combing a stratigraphic analysis of the building with an in-depth study of historical texts. A CAD-based model of the current church is designed from a laser scanner survey. A CAD-model of the church before and after each historical earthquake is then extrapolated from the current church and its deduced constructive history. I have developed an ad hoc meshing code to generate a finite element mesh from the CAD-based model. We perform two ambient vibration testing survey in the church. 8 modes of vibration (natural frequency, modal shapes and damping ratio) are estimated. A Vibration-Based model updating based on the identified experimental parameters and the constructive history of the church allows to calibrate the numerical model of the church in its linear part. A continuum damage model is used to identify the limit of the linear model of the church. I then focus on the study of the 1919 non damaging earthquake. A collection of waveforms compatible with the seismotectonic context is selected, corrected, and used to solicit the updated linear digital model of the church. I show preliminary results to discuss the ground motion characteristics of the 1919 earthquake. (author)
Abstract (French)
La deformation accumulee pendant plusieurs centaines (milliers) d'annees dans les zones de failles est brusquement relachee en seulement quelques secondes lorsqu'un seisme se produit. L'etude des seismes anciens a travers differentes echelles de temps est d'une importance capitale pour ameliorer l'evaluation de l'alea sismique. Au cours des dernieres decennies des approches, telles que la sismologie historique, l'archeosismologie et la paleosismologie ont ete developpees pour chercher diverses sources d'informations. Parmi elles, les batiments historiques, tels des 'sismometres de pierre' peuvent etre utilises pour temoigner de cette sismicite passee qu'ils ont enregistree dans leurs murs sous forme de degats ou de reparations. Je propose une methodologie innovante reliant l'archeologie de la construction, la sismologie et le genie sismique afin de demontrer que la caracterisation archeologique des reparations post-sismiques sur les batiments historiques peut permettre de deduire les principales caracteristiques du mouvement sismique. Cette methodologie est developpee autour du cas de l'eglise medievale de Sant'Agata del Mugello, un site exceptionnel dont les dommages et les reparations induits par les seismes sont decrits par de nombreuses sources historiques. Le site est situe dans le bassin du Mugello (Apennin central, Italie, Toscane), caracterise par une sismicite moderee. Les plus grands evenements connus se sont produits en 1542 (Mw∼6) et 1919 (Mw∼6.3). Nous commencons par retracer l'histoire sismique de l'eglise en combinant une analyse stratigraphique du batiment avec une etude approfondie des textes historiques. Un modele de CAO est concu a partir d'un releve geometrique issu d'une campagne de scanner laser. Un modele de CAO de l'eglise avant et apres chaque seisme historique est ensuite extrapole a partir du modele de l'eglise actuelle et de son histoire constructive. Un code de maillage ad hoc a ete developpe pour generer un maillage aux elements finis a partir du modele de CAO. Deux campagnes de vibrations ambiantes ont ete menees dans l'eglise de Sant'Agata. 8 modes de vibration (frequence propre, deformee modale et amortissement) sont estimes. Un processus d'optimisation des parametres modaux, permet de calibrer le modele numerique de l'eglise dans sa partie lineaire. Un modele d'endommagement continu est utilise pour identifier la limite du modele lineaire de l'eglise. Je me concentre ensuite sur l'etude du seisme historique de 1919 qui n'a pas cause de dommages. Une collection de mouvements sismiques compatibles avec le contexte sismotectonique est selectionnee, corrigee et est utilisee pour solliciter le modele numerique lineaire calibre de l'eglise. Je presente des resultats preliminaires pour discuter des caracteristiques du mouvement sismique associe au seisme historique de 1919. (auteur)
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Additional titles
- Original title (English)
- De la caracterisation du mouvement sismique associe a des seismes historiques. Etude de Sant'Agata del Mugello en associant archeologie de la construction, genie sismique et sismologie
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 397 p.
- Report number
- FRNC-TH--15005
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 54115708
- Subject category
- S42: ENGINEERING; S58: GEOSCIENCES;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ARCHAEOLOGICAL SITES; CALIBRATION; COMPUTER-AIDED DESIGN; DAMAGE; DAMPING; EARTHQUAKES; EXTRAPOLATION; FINITE ELEMENT METHOD; FREQUENCY ANALYSIS; GROUND MOTION; HISTORICAL ASPECTS; MECHANICAL VIBRATIONS; PUBLIC BUILDINGS; REPAIR; RISK ASSESSMENT; SEISMIC EFFECTS; SPECTRAL DENSITY; STRATIGRAPHY; VULNERABILITY
- Descriptors DEC
- BUILDINGS; CALCULATION METHODS; DESIGN; FUNCTIONS; GEOLOGY; MATHEMATICAL SOLUTIONS; MOTION; NUMERICAL SOLUTION; SEISMIC EVENTS; SPECTRAL FUNCTIONS
Optional Information
- Notes
- Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses