[论文解读] Earthquakes in cities revisited

Armand Wirgin|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2016

Seismology and Earthquake Studies参考文献 31被引用 3

一句话总结

本文挑戰了廣泛引用的『城市結構可減輕地面運動』的說法，透過證明儘管因附加質量導致地面運動降低，但傳遞至建築物的能量仍可能相當大——在共振頻率下可達輸入地震能量的50%。利用能量守恆與阻抗耦合塊近似法（ICBA），研究顯示建築物的運動與破壞潛力並未降低，從而調和了理論模型與仙台、帕坦等地城市實際地震損壞之間的矛盾。

ABSTRACT

During the last twenty years, a number of publications of theoretical-numerical nature have appeared which come to the apparently-reassuring conclusion that seismic motion on the ground in cities is smaller than what this motion would be in the absence of the buildings (but for the same underground and seismic load). Other than the fact that this finding tells nothing about the motion within the buildings, it must be confronted with the overwhelming empirical evidence (e.g, earthquakes in Sendai (2011), Kathmandu (2015), Tainan City (2016), etc.) that shaking within buildings of a city is often large enough to damage or even destroy these structures. I show, on several examples, that theory can be reconciled with empirical evidence, and suggest that the crucial subject of seismic response in cities is in need of more thorough research.

研究动机与目标

• 解決理論預測城市中地面運動降低與實際地震中建築物嚴重損壞之間的矛盾。
• 將焦點從地面運動轉移至建築物/塊體運動，作為城市地區地震風險的主要指標。
• 建立一個物理上一致的城市地震響應建模框架，以考慮土壤、建築物與塊體之間的能量分佈。
• 證明所謂的『城市質量有益效應』並未降低結構破壞潛力。
• 為未來長時間城市震動與複雜城市配置的研究奠定基礎。

提出的方法

• 提出基於能量守恆的分析方法，追蹤地震能量在半無限體、土壤層、城市層以及單獨塊體或建築物之間的分佈。
• 引入阻抗耦合塊近似法（ICBA）作為一種簡化但準確的週期性城市塊體排列建模方法。
• 使用嚴謹的公式（SFM與邊界元法）驗證ICBA在低高寬比塊體與層次中的準確性。
• 應用ICBA分析不同頻率帶的能量傳遞，特別是土壤與建築物自然頻率共振時的情況。
• 將ICBA與等效表面阻抗法及邊界元法比較，以評估其定性與定量的有效性。
• 在三維配置中分析平面波與源波載荷，探討輻射阻尼與長時間震動。

实验结果

研究问题

• RQ1 儘管地面運動降低，城市塊體的存在是否會減少或增加傳遞至建築物的地震能量？
• RQ2 為何仙台與帕坦等城市的建築物即使理論上地面運動降低，仍會遭受嚴重損壞？
• RQ3 所謂的『城市質量有益效應』能否與實際地震中觀察到的結構損壞調和？
• RQ4 地震能量如何在不同頻率下於土壤、城市層與單獨塊體之間分佈？
• RQ5 ICBA模型在多大程度上能準確表示城市地震響應中的能量傳遞，特別是針對高高寬比建築物？

主要发现

• 在土壤與建築物自然頻率共鳴的頻率下，即使地面運動降低，仍可有高達50%的輸入地震能量傳遞至建築物。
• 『有益效應』——因附加質量導致地面運動降低——並不代表建築物運動或破壞潛力降低。
• 能量守恆分析顯示，即使在沒有城市的情況下地面運動較高，建築物仍可能承受強烈激發。
• ICBA對均勻層與低高寬比塊體能提供定量準確的地面與建築物運動預測，對高高寬比配置則提供定性上有意義的結果。
• 該模型解釋了墨西哥城與仙台等城市為何會出現強度高且持續數分鐘的長時間震動，這與洛夫波耦合與共振模態有關。
• 用於城市地震建模的均質化技術需進一步改進，以準確描述在多種地震源條件下複雜且不規則的城市結構。