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Modal approach to elastic and gravity waves in laterally heterogeneous media: from tsunami to acoustic frequency range.
Bisignano, Davide
2013-04-19
Abstract
Il presente lavoro di tesi presenta diverse applicazioni e sviluppi del metodo modale: in particolare, immaginando un percorso logico dalle basse alle alte frequenze, si sono considerate
le onde di tsunami, onde sismiche propagantesi in strutture a forte eterogeneità laterale, fino a
giungere all’applicazione del metodo al dominio acustico. Nel primo capitolo l’argomento trat-
tato è quello degli tsunami (onde di gravità a lungo periodo), estendendo la tecnica modale agli
tsunami e mostrando come questa metodologia consenta diversi approcci alla modellazione sia
delle eterogeneità del modello strutturale che del processo di rottura sismico che genera l’onda
di tsunami. Queste tecniche sono state applicate in diversi contesti, sia al fine di validarne i rela-
tivi codici di calcolo (Mar Mediterraneo Occidentale, terremoto e tsunami di Tohoku del marzo
2011) che per valutare scenari di pericolosità da tsunami per le zone considerate (costa del Viet-
nam, Mare Adriatico). L’argomento del secondo capitolo è la modellazione di onde sismiche
che si propagano in modelli a forte eterogeneità laterale, in particolare con interfacce verticali
liquido-solido. Dopo una breve introduzione teorica, vengono mostrati i risultati di alcuni test
di modellazione che utilizzano vari modelli strutturali e diversi domini di frequenza (in parti-
colare si arriverà a una frequenza massima di 10Hz). Quindi, andando a frequenze sempre più
alte, fino a 100Hz, il pacchetto di programmi sviluppato originariamente per le onde sismiche è
stato testato e, dopo gli opportuni miglioramenti, utilizzato per studiare la propagazione di onde acustiche in strutture oceaniche. Il fine di questi test, argomento del terzo e conclusivo capitolo
di questo lavoro, è capire la sensibilità delle onde acustiche alle caratteristiche della struttura
in cui si propagano, come ad esempio la presenza di strati solidi sedimentari a bassa veloc-
ità o di un canale a bassa velocità nel liquido. Nel secondo e nel terzo capitolo lo studio dei
segnali ottenuti è stata approfondita mediante un’analisi congiunta tempo-frequenza (FTAN)
che ha notevolmente aiutato a capirne le caratteristiche salienti, correlate sia alla sorgente che
alla struttura, confermando ulteriormente la validità e la poliedricità dell’approccio modale in
questo genere di studi.
In this thesis work, we presents several applications and developments of the modal method: in
particular, imagining a logical path from low to high frequencies, are considered the tsunami
waves, seismic waves propagating in structures with strong lateral heterogeneity, to conclude
with the application of the method to the acoustic range. The topic treated in the first chapter
is the extension of the modal technique to the tsunami wavefield (long period gravity waves),
showing how this methodology allows different approaches to the modeling of both heteroge-
neous structural models and of the seismic rupture process that generates the tsunami. These
techniques have been applied in different contexts, both in order to validate the computer codes
(Western Mediterranean Sea, the Tohoku earthquake and tsunami of March 2011) and to as-
sess tsunami hazard scenarios for the selected target zones (Vietnam Coasts, Adriatic Sea). The
topic of the second chapter is the modeling of seismic waves propagating in strong laterally het-
erogeneous models, in particular with vertical liquid-solid interfaces. After a short theoretical
introduction, we shows the results of some modelling tests adopting several structural models
and different frequency ranges (in particular reaching a maximum frequency of 10 Hz). Thus,
going to higher frequencies, up to 100Hz, the package of programs originally developed for the
seismic waves has been tested and, after appropriate improvements, used to study the propa-
gation of acoustic waves in the oceanic structures. The purpose of these tests, subject of the
third and final chapter of this work, is to understand the sensitivity of the acoustic waves to the
characteristics of the structure in which they propagate, such as the presence of low velocity
sedimentary layers or a low velocity channel in the liquid. In the second and third chapter,
the study of the computed signals was complemented through a joint time-frequency analisys
(FTAN) which greatly helped to understand their salient features, related to both the source and
the structure, further confirming the validity and the polyhedric nature of the modal approach.
Publisher
Università degli studi di Trieste
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