Time-lapse Monitoring of the Slopes of a Heritage Earthwork by Means of Near-surface Seismic Techniques

A significant portion of UK’s infrastructures earthworks was built more than 100 years ago, without modern construction standards: poor maintenance and the change of precipitations pattern experienced in the past decades are currently compromising their stability, leading to an increasing number of failures. To address the need for a reliable and time-efficient monitoring of earthworks at risk of failure we propose here the use of two established seismic techniques for the characterization of the near surface, MASW and P-wave refraction. We have regularly collected MASW and P-wave refraction data, from March 2014 to February 2015, along 4 reduced-scale seismic lines located on the flanks of a heritage railway embankment located in Broadway, SW of England. We have observed a definite temporal variability in terms of phase velocities of SW dispersion curves and of P-wave travel times. The accurate choice of ad-hoc inversion strategies has allowed to reconstruct reliable VP and VS models through which it is potentially possible to track the temporal variations of geo-mechanical properties of the embankment slopes. The variability over time of seismic data and seismic velocities seems to correlate well with rainfall data recorded in the days immediately preceding the date of acquisition.

An overview of seismic hybrid testing of engineering structures

An overview of research on the development of the hybrid test method is presented. The maturity of the hybrid test method is mapped in order to provide context to individual research in the overall development of the test method. In the pseudo dynamic (PsD) test method, the equations of motion are solved using a time stepping numerical integration technique with the inertia and damping being numerically modelled whilst restoring force is physically measured over an extended timescale. Developments in continuous PsD testing led to the real-time hybrid test method and geographically distributed hybrid tests. A key aspect to the efficiency of hybrid testing is the substructuring technique where the critical structural subassemblies that are fundamental to the overall response of the structure are physically tested whilst the remainder of the structure whose response can be more easily predicted is numerically modelled. Much of the early research focused on developing the accuracy and efficiency of the test method, whereas more recently the method has matured to a level where the test method is applied purely as a dynamic testing technique. Developments in numerical integration methods, substructuring, experimental error reduction, delay compensation and speed of testing have led to a test method now in use as full-scale real-time dynamic testing method that is reliable, accurate, efficient and cost effective.

Áquila Earthquake (2009): influence of seismic source model and structure to modeling the strong ground motions

O sismo, ocorrido em 6 de Abril de 2009 (Mw 6,3) junto à cidade de Áquila (Itália), provocou uma grande destruição. Uma das consequências deste evento foi o impacto na opinião pública em torno da capacidade científica para a estimação da perigosidade sísmica e a necessidade de criação de sistemas de alerta sísmico. A determinação dos mecanismos de fonte sísmica de eventos sísmicos ocorridos e registados permite melhores caracterizações dos movimentos sísmicos para uma determinada área de estudo e consequentemente melhores cenários de risco. Se a região em estudo possuir propriedades físicas específicas e muito distintas de local para local, capazes de provocar alterações locais dos movimentos sísmicos (efeitos de sítio), torna-se imperativo uma caracterização bem definida do meio de propagação das ondas sísmicas de forma a poder sintetizar informação capaz de contribuir para a boa estimação da perigosidade sísmica. No âmbito deste trabalho pretende-se estudar a influência do mecanismo de fonte sísmica e da estrutura na modelação de movimentos sísmicos no caso de Áquila. A metodologia adoptada consiste na determinação da distribuição de deslizamentos sobre o plano de falha e utilização desta informação na modelação de sismogramas sintéticos (com recurso ao algoritmo E3D). Será igualmente estabelecida uma comparação de resultados considerando-se um meio com e sem bacia e considerando-se uma fonte pontual e uma fonte extensa.

High-resolution seismic reflection investigation of gas accumulation and seepage in the tidal channels of the Ria of Aveiro barrier lagoon (Portugal)

O metano é um gás de estufa potente e uma importante fonte de energia. A importância global e impacto em zonas costeiras de acumulações e escape de gás metano são ainda pouco conhecidas. Esta tese investiga acumulações e escape de gás em canais de maré da Ria de Aveiro com dados de cinco campanhas de reflexão sísmica de alta resolução realizadas em 1986, 1999, 2002 e 2003. Estas incluem três campanhas de Chirp (RIAV99, RIAV02 e RIAV02A) e duas campanhas de Boomer (VOUGA86 e RIAV03). O processamento dos dados de navegação incluíram filtros de erros, correcções de sincronização de relógios de sistemas de aquisição de dados, ajuste de “layback” e estimativa da posição de “midpoint”. O processamento do sinal sísmico consistiu na correcção das amplitudes, remoção de ruído do tipo “burst”, correcções estáticas, correcção do “normal move-out”, filtragem passabanda, desconvolução da assinatura e migração Stolt F-K. A análise da regularidade do trajecto de navegação, dos desfasamentos entre horizontes e dos modelos de superfícies foi utilizada para controlo de qualidade, e permitiu a revisão e melhoria dos parâmetros de processamento. A heterogeneidade da cobertura sísmica, da qualidade do sinal, da penetração e da resolução, no seu conjunto constrangeram o uso dos dados a interpretações detalhadas, mas locais, de objectos geológicos da Ria. É apresentado um procedimento para determinar a escolha de escalas adequadas para modelar os objectos geológicos, baseado na resolução sísmica, erros de posicionamento conhecidos e desfasamentos médios entre horizontes. As evidências de acumulação e escape de gás na Ria de Aveiro incluem turbidez acústica, reflexões reforçadas, cortinas acústicas, domas, “pockmarks” e alinhamentos de “pockmarks” enterradas, horizontes perturbados e plumas acústicas na coluna de água (flares). A estratigrafia e a estrutura geológica controlam a distribuição e extensão das acumulações e escape de gás. Ainda assim, nestes sistemas de baixa profundidade de água, as variações da altura de maré têm um impacto significativo na detecção de gás com métodos acústicos, através de alterações nas amplitudes originais de reflexões reforçadas, turbidez acústica e branqueamento acústico em zonas com gás. Os padrões encontrados confirmam que o escape de bolhas de gás é desencadeado pela descida da maré. Há acumulações de gás em sedimentos Holocénicos e no substrato de argilas e calcários do Mesozóico. Evidências directas de escape de gás em sondagens em zonas vizinhas, mostraram gás essencialmente biogénico. A maioria do gás na área deve ter sido gerado em sedimentos lagunares Holocénicos. No entanto, a localização e geometria de estruturas de escape de fluidos em alguns canais de maré, seguem o padrão de fracturas do substrato Mesozóico, indicando uma possível fonte mais profunda de gás e que estas fracturas funcionam como condutas preferenciais de migração dos fluidos e exercem um controlo estrutural na ocorrência de gás na Ria.

Biaxial seismic behaviour of reinforced concrete columns

A análise dos efeitos dos sismos mostra que a investigação em engenharia sísmica deve dar especial atenção à avaliação da vulnerabilidade das construções existentes, frequentemente desprovidas de adequada resistência sísmica tal como acontece em edifícios de betão armado (BA) de muitas cidades em países do sul da Europa, entre os quais Portugal. Sendo os pilares elementos estruturais fundamentais na resistência sísmica dos edifícios, deve ser dada especial atenção à sua resposta sob ações cíclicas. Acresce que o sismo é um tipo de ação cujos efeitos nos edifícios exige a consideração de duas componentes horizontais, o que tem exigências mais severas nos pilares comparativamente à ação unidirecional. Assim, esta tese centra-se na avaliação da resposta estrutural de pilares de betão armado sujeitos a ações cíclicas horizontais biaxiais, em três linhas principais. Em primeiro lugar desenvolveu-se uma campanha de ensaios para o estudo do comportamento cíclico uniaxial e biaxial de pilares de betão armado com esforço axial constante. Para tal foram construídas quatro séries de pilares retangulares de betão armado (24 no total) com diferentes características geométricas e quantidades de armadura longitudinal, tendo os pilares sido ensaiados para diferentes histórias de carga. Os resultados experimentais obtidos são analisados e discutidos dando particular atenção à evolução do dano, à degradação de rigidez e resistência com o aumento das exigências de deformação, à energia dissipada, ao amortecimento viscoso equivalente; por fim é proposto um índice de dano para pilares solicitados biaxialmente. De seguida foram aplicadas diferentes estratégias de modelação não-linear para a representação do comportamento biaxial dos pilares ensaiados, considerando não-linearidade distribuída ao longo dos elementos ou concentrada nas extremidades dos mesmos. Os resultados obtidos com as várias estratégias de modelação demonstraram representar adequadamente a resposta em termos das curvas envolventes força-deslocamento, mas foram encontradas algumas dificuldades na representação da degradação de resistência e na evolução da energia dissipada. Por fim, é proposto um modelo global para a representação do comportamento não-linear em flexão de elementos de betão armado sujeitos a ações biaxiais cíclicas. Este modelo tem por base um modelo uniaxial conhecido, combinado com uma função de interação desenvolvida com base no modelo de Bouc- Wen. Esta função de interação foi calibrada com recurso a técnicas de otimização e usando resultados de uma série de análises numéricas com um modelo refinado. É ainda demonstrada a capacidade do modelo simplificado em reproduzir os resultados experimentais de ensaios biaxiais de pilares.

Seismic vulnerability assessment of slender masonry structures

Slender masonry structures are distributed all over the world and constitute a relevant part of the architectural and cultural heritage of humanity. Their protection against earthquakes is a topic of great concern among the scientific community. This concern mainly arises from the strong damage or complete loss suffered by this group of structures due to catastrophic events and the need and interest to preserve them. Although the great progress in technology, and in the knowledge of seismology and earthquake engineering, the preservation of these brittle and massive structures still represents a major challenge. Based on the research developed in this work it is proposed a methodology for the seismic risk assessment of slender masonry structures. The proposed methodology was applied for the vulnerability assessment of Nepalese Pagoda temples which follow very simple construction procedure and construction detailing in relation to seismic resistance requirements. The work is divided in three main parts. Firstly, particular structural fragilities and building characteristics of the important UNESCO classified Nepalese Pagoda temples which affect their seismic performance and dynamic properties are discussed. In the second part the simplified method proposed for seismic vulnerability assessment of slender masonry structures is presented. Finally, the methodology proposed in this work is applied to study Nepalese Pagoda temples, as well as in the efficiency assessment of seismic performance improvement solution compatible with original cultural and technological value.

FRP Seismic Strengthening of Concrete Structures

This paper presents the experimental work carried out on a full scale concrete frame strengthened with Fibre Reinforced Polymer (FRP) composites. The frame was damaged, strengthened with FRP reinforcement and re-tested to assess the effectiveness of the strengthening technique. The natural frequencies of vibration, displacements, velocities and accelerations for both the unstrengthened and strengthened frame were recorded and compared.

Seismic retrofitting of RC buildings using CFRP and post-tensioned metal straps: shake table tests

This article examines the effectiveness of two innovative retrofitting solutions at enhancing the seismic behaviour of a substandard reinforced concrete building tested on a shake table as part of the Pan-European funded project BANDIT. To simulate typical substandard construction, the reinforcement of columns and beam-column joints of the full-scale structure had inadequate detailing. An initial series of shake table tests were carried out to assess the seismic behaviour of the bare building and the effectiveness of a first retrofitting intervention using Post-Tensioned Metal Straps. After these tests, columns and joints were repaired and subsequently retrofitted using a retrofitting solution consisting of Carbon Fibre Reinforced Polymers and Post-Tensioned Metal Straps applied on opposite frames of the building. The building was then subjected to unidirectional and three-dimensional incremental seismic excitations to assess the effectiveness of the two retrofitting solutions at improving the global and local building performance. The article provides details of the above shake table testing programme and retrofitting solutions, and discusses the test results in terms of the observed damage, global damage indexes, performance levels and local strains. It is shown that whilst the original bare building was significantly damaged at a peak ground acceleration (PGA) of 0.15g, the retrofitted building resisted severe threedimensional shake table tests up to PGA=0.60g without failure. Moreover, the retrofitting intervention enhanced the interstorey drift ratio capacity of the 1st and 2nd floors by 160% and 110%, respectively. Therefore, the proposed dual retrofitting system is proven to be very effective for improving the seismic performance of substandard buildings.

A neural network seismic detector

This experimental study focuses on a detection system at the seismic station level that should have a similar role to the detection algorithms based on the ratio STA/LTA. We tested two types of neural network: Multi-Layer Perceptrons and Support Vector Machines, trained in supervised mode. The universe of data consisted of 2903 patterns extracted from records of the PVAQ station, of the seismography network of the Institute of Meteorology of Portugal. The spectral characteristics of the records and its variation in time were reflected in the input patterns, consisting in a set of values of power spectral density in selected frequencies, extracted from a spectro gram calculated over a segment of record of pre-determined duration. The universe of data was divided, with about 60% for the training and the remainder reserved for testing and validation. To ensure that all patterns in the universe of data were within the range of variation of the training set, we used an algorithm to separate the universe of data by hyper-convex polyhedrons, determining in this manner a set of patterns that have a mandatory part of the training set. Additionally, an active learning strategy was conducted, by iteratively incorporating poorly classified cases in the training set. The best results, in terms of sensitivity and selectivity in the whole data ranged between 98% and 100%. These results compare very favorably with the ones obtained by the existing detection system, 50%.

On-line operation of an intelligent seismic detector

This study describes the on-line operation of a seismic detection system to act at the level of a seismic station providing similar role to that of a STA /LTA ratio-based detection algorithms. The intelligent detector is a Support Vector Machine (SVM), trained with data consisting of 2903 patterns extracted from records of the PVAQ station, one of the seismographic network's stations of the Institute of Meteorology of Portugal (IM). Records' spectral variations in time and characteristics were reflected in the SVM input patterns, as a set of values of power spectral density at selected frequencies. To ensure that all patterns of the sample data were within the range of variation of the training set, we used an algorithm to separate the universe of data by hyper-convex polyhedrons, determining in this manner a set of patterns that have a mandatory part of the training set. Additionally, an active learning strategy was conducted, by iteratively incorporating poorly classified cases in the training set. After having been trained, the proposed system was experimented in continuous operation for unseen (out of sample) data, and the SVM detector obtained 97.7% and 98.7% of sensitivity and selectivity, respectively. The same type of ANN presented 88.4 % and 99.4% of sensitivity and selectivity when applied to data of a different seismic station of IM. © 2013 Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

Joint inversion of magnetotelluric and seismic data for crustal characterization

Tese de doutoramento, Ciências Geofísicas e da Geoinformação (Geofisíca), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

Ocean bottom seismic noise : applications for the crust knowledge, interaction ocean-atmosphere and instrumental behaviour

Tese de doutoramento, Ciências Geofísicas e da Geoinformação (Geofisíca), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

Re-employment hazard of displaced German workers: evidence from the GSOEP

This study investigates the re-employment hazard of displaced German workers using the first fourteen sweeps of the German Socio-Economic Panel (GSOEP) data. As well as parametric and non-parametric discrete-time specifications for the baseline hazard, the study employs alternative mixing distributions to account for unobserved heterogeneity. Findings of the study suggest negative duration dependence, even after accounting for unobserved heterogeneity. In terms of covariate effects, those at the lower end of the skills ladder, those who had been working in manufacturing and those with previous experience of non-employment are found to have lower hazard of exit via reemployment.

Tsunami Hazard Assessment of the Strait of Juan de Fuca

This study presents and discusses the tsunami hazard posed by an updated CSZ earthquake scenerio to the coastal communities of Port Angeles and Port Townsend, based on the results of a high resolution GeoClaw simulation with 2/3 arc second resolution (about 20.56 meters) surrounding these towns. In addition, we will also present the results of a coarse regional simulation of the Strait of Juan de Fuca. This coarse study encompasses 28 regions that span the Strait’s coast, including the communities of Anacortes, Bellingham, Friday Harbor, and Victoria, BC in addition to extended areas around Port Angeles and Port Townsend. The finest grid for these 28 regions where we collected results had 2 arc sec resolution (around 62 meters). Finally, we will discuss some inherent uncertainties in the specification of the earthquake scenario, the limitations of the GeoClaw model, and the associated uncertainites in the results.