This thesis presents new insights into Alpine Fault structures at the drill site of the Deep Fault Drilling Project (DFDP)-2B at Whataroa in New Zealand. Despite the challenging conditions for seismic imaging within a glacial valley filled with sediments and steeply dipping valley flanks, several structures related to the valley itself as well as the tectonic fault system are imaged. The Alpine Fault at the West Coast in New Zealand is a major plate boundary forming a significant geohazard as large earthquakes (magnitude 7-8) occur regularly and the next earthquake is expected relatively soon. A major effort has been made to study the fault characteristics through scientific drilling in the Deep Fault Drilling Project (DFDP) Alpine Fault with the deepest DFDP-2B borehole located in the Whataroa Valley. A great variety of seismic data are newly acquired. First, the WhataDUSIE (Whataroa Detailed University Seismic Imaging Experiment) data set is a ~5 km long 2D profile acquired in 2011 prior to the drilling. As the 2D profile could not fully explain the 3D structures in the Whataroa Valley, an extended surface and borehole data set was acquired in 2016 after the drilling. This data set consists of shorter 2D lines (< 3 km), a dense 3D-array, and vertical seismic profiling (VSP) using the DFDP-2B borehole including the fibre-optic cable. 3D seismic data proved to be essential to understand the complex 3D structures of the glacial valley and the major fault. First-arrival travel time tomography and prestack depth migration (PSDM) are applied to obtain a P-wave velocity model and seismic images of the subsurface (<5 km). In this complex setting, the Fresnel volume migration (a focusing PSDM method) proved to best obtain structural information about the subsurface. Analysing the results of the seismic data processing, two major outcomes are achieved: improved knowledge about the glacial structures of the Whataroa Valley and structural images of the Alpine Fault zone. The Whataroa Valley is an overdeepened glacial valley with details of the basement topography visible in the seismic images. A deep trough is identified south of the DFDP-2B borehole with horizontal layering of the sediments. Valley flanks are identified in both the seismic images and the P-wave velocity model, particularly the western valley flank. Thus, Quaternary and glacial processes can be analysed with the help of the newly derived seismic images. The Alpine Fault is directly imaged with the seismic data, which is the first time in this region at shallow depths (<5 km). Several shorter fault segments between depths of 0.2 km and 2.2 km dipping 40-56° to the southeast are directly imaged. Further identified reflectors and faults are interpreted to represent Alpine Fault structures in the form of a damage zone and induced faults adding further complexity to the fault zone. In conclusion, the 3D seismic results presented in this thesis provide new insights into the Whataroa subsurface. Hence, the new results form a good basis for a deeper understanding of the Alpine Fault structures and underlying processes which is important for potential future drilling but also for the estimation of the geohazard in the region.

This study is concerned with the computation of seismic first-arrival traveltimes in anisotropic media using finite difference eikonal methods. For this purpose, different numerical schemes that directly solve the eikonal equation are implemented and assessed numerically. Subsequently, they are used for pre-stack depth migration on synthetic and field data. The thesis starts with a detailed examination of different finite difference methods that have gained popularity in scientific literature for computing seismic traveltimes in isotropic media. The most appropriate for an extension towards anisotropic media are found to be the so-called Fast Marching/Sweeping methods. Both schemes rely on different iteration strategies, but incorporate the same upwind finite difference Godunov schemes that are implemented up to the second order. As a result, the derived methods exhibit high numerical accuracy and perform robustly even in highly contrasted velocity models. Subsequently, the methods are adapted for transversely isotropic media with vertical (VTI) and tilted (TTI) symmetry axes, respectively. Therefore, two different formulations for approximating the anisotropic phase velocities are tested, which are the weakly-anisotropic and the pseudo-acoustic approximation. As expected, the pseudo-acoustic formulation shows superior accuracy especially for strongly anisotropic media. Moreover, it turns out that the tested eikonal schemes are generally more accurate than anisotropic ray tracing approaches, since they do not require an approximation of the group velocity. Numerical experiments are carried out on homogeneous models with varying strengths of anisotropy and the industrial BP 2007 benchmark model. They show that the computed eikonal traveltimes are in good agreement with independent results from finite difference modelling of the isotropic and anisotropic elastic wave equations, and traveltimes estimated by ray-based wavefront construction, respectively. The computational performance of the TI eikonal schemes is largely increased compared to their original isotropic implementations, which is due to the algebraic complexity of the anisotropic phase velocity formulations. At this point, the Fast Marching Method is found to be more efficient on models containing up to 50 million grid points. For larger models, the anisotropic Fast Sweeping implementation gradually becomes advantageous. Here, both techniques perform independently well of the structural complexity of the underlying velocity model. The final step of this thesis is the application of the developed eikonal schemes in pre-stack depth migration. A synthetic experiment over a VTI/TTI layer-cake model demonstrates that the traveltime computation leads to accurate imaging results including a tilted, strongly anisotropic shale layer. The experiment shows further that the estimation of anisotropic velocity models solely from surface reflection data is highly ambiguous. In a second example, the eikonal solvers are applied for depth imaging of two-dimensional field data that were acquired for geothermal exploration in southern Tuscany, Italy. The developed methods also produce clear imaging results in this setting, which illustrates their general applicability for pre-stack depth imaging, particularly in challenging environments.

Sind Geothermiebohrungen nicht fündig, bedeutet dies, dass das Wasser im Untergrund nicht die während der Projektplanung prognostizierte Temperatur hat bzw. nicht in ausreichender Schüttung zu Tage gefördert werden kann. Die Folgen sind meist der Projektabbruch und hohe finanzielle Verluste für den Investor. Beim Bohren nach Öl und Gas bringt schon jetzt nur eine von sieben Erkundungsbohrungen das gewünschte Ergebnis. Da die noch vorhandenen Öl- und Gasvorkommen immer schwieriger zu erschließen sind, steigen mit dem Risiko von Fehlbohrungen die Kosten und damit folgerichtig auch die Brennstoffpreise. Ein Grund für die aufgezeigte Problematik ist, dass die bisher in Bohrgarnituren eingesetzten Messgeräte zwar das Umfeld um die Bohrung, nicht aber den Bereich vor dem Bohrmeißel erkunden können. Seit Ende 2007 arbeitet eine Forschergruppe an einem neuen Messgerät, das in der Lage sein soll, seismische Energie gezielt in Bohrrichtung zu verstärken. Für die Manipulation der Abstrahlrichtung wird das bisher noch nicht in der Seismik genutzte Phased Array Prinzip angewandt. Die bisherigen Versuche im Labormaßstab waren erfolgversprechend. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, wie ein seismisches Messgerät in eine Bohrgarnitur integriert und im Feld eingesetzt werden könnte. Behandelt werden drei wesentliche Fragestellungen: (1) In welchem Bereich vor dem Bohrmeißel soll die seismische Energie verstärkt werden? Eine Richtbohrgarnitur kann zwar durch den Untergrund gelenkt werden, ihr Aktionsradius hängt jedoch von verschiedenen Randbedingungen ab. (2) An welcher Stelle in der Bohrgarnitur soll das Messgerät platziert werden? Ganz vorne befindet sich der Bohrmeißel, dahinter typischerweise die Steuer- und Messgeräte zur Richtungssteuerung der Garnitur, denn der Bohrpfad lässt sich umso genauer steuern, je geringer die Distanz zwischen diesen Geräten und dem Bohrmeißel ist. (3) Wann und wie soll gemessen werden? Jede zusätzlich für Messungen benötigte Zeitspanne ist ein Kostenfaktor, der die Bohrung verteuert. Die Versorgung des Messgeräts mit Energie und die Ansteuerung hängen darüberhinaus von der technischen Ausstattung der Bohrgarnitur und dem Zeitpunkt der Messung im Bohrprozess ab. Angesichts der Fragestellungen wird eine Analyse der bestehenden und neuen Systeme der Tiefbohrtechnik und der Seismik vorgenommen und auf dieser Grundlage ein ganzheitliches Modell entwickelt. Anhand dieses zentralen Modells werden mehrere Konzepte für Richtbohrgarnituren mit integriertem seismischem Messgerät erarbeitet sowie bewertet und die Wechselwirkungen zwischen Mess- und Bohrprozess untersucht. Ein Ergebnis der Arbeit ist die Definition des Begriffs „Vorauserkundung“. Um eine Vorauserkundung durchführen zu können, ist es wichtiger, das Messgerät in eine Richtbohrgarnitur zu integrieren, die hohe Bohrlochkrümmungen ermöglicht, als es so nahe wie möglich hinter dem Bohrmeißel zu platzieren. Mit den im Modell erarbeiteten Bewertungskriterien kann die Weiterentwicklung sowie die praktische Anwendung des seismischen Messgeräts begleitet und beurteilt werden.

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La localisation de séismes induits ainsi que les mécanismes au foyer associés sont des outils fréquemment utilisés afin, entre autres, d’imager la structure d’un réservoir. Cette thèse présente une technique permettant de quantifier les erreurs associées à ces deux paramètres. Par cette méthode, incertitudes et imprécisions sont distinguées. La méthode a été appliquée aux sites de Soultz et de Rittershoffen pour étudier l’impact de plusieurs critères sur la localisation de la sismicité induite. Ainsi, il a été montré que l’utilisation de capteurs installés profondément dans des puits et qu’une bonne couverture sismique azimutale réduit sérieusement les incertitudes de localisation. Les incertitudes du modèle de vitesse, représentées par une distribution gaussienne des modèles avec un écart de 5% autour du modèle de référence, multiplient les incertitudes de localisation par un facteur 2 à 3. Des simplifications utilisées pour le calcul ou une mauvaise connaissance du milieu peuvent mener à des imprécisions de l’ordre de 10% spatialement non isotropes. Ainsi, les structures du sous-sol peuvent être déformées dans les interprétations. L’application d’un tir de calibration peut néanmoins corriger ce fait en grande partie. L’étude d’erreurs associées aux mécanismes au foyer ne semble cependant pas conduire aux mêmes conclusions. Le biais angulaire peut certes être augmenté par l’omission de la faille dans le modèle de vitesse, mais dans plusieurs cas il est le même que dans le cas idéal voire diminué. En outre, une meilleure couverture sismique améliorerait toujours le mécanisme au foyer obtenu. Ainsi, il n’est pas conseillé d’imager un réservoir en n’utilisant que la localisation de séismes, mais une combinaison de plusieurs paramètres sismiques pourrait s’avérer efficace. La méthode appliquée dans le cadre de cette thèse pourra servir pour d’autres sites à condition d’en avoir une bonne connaissance a priori. / Induced seismicity location and focal mechanisms are commonly used to image the sub-surface designin reservoirs among other tasks. In this Ph.D. the inaccuracies and uncertainties on earthquake location and focal mechanisms are quantified using a three-step method. The technique is applied to the geothermal sites of Soultz and Rittershoffen to investigate the effect of several criteria on thee arthquake location. A good azimuthal seismic coverage and the use of seismic down-hole sensors seriously decrease the location uncertainty. On the contrary, velocity model uncertainties, represented by a 5% Gaussian distribution of the velocity model around the reference model, will multiply location uncertainties by a factor of 2 to 3. An incorrect knowledge of the sub-surface or the simplifications performed before the earthquake location can lead to biases of 10% of the vertical distance separating the source and the stations with a non-isotropic spatial distribution. Hence the sub-surface design maybe distorted in the interpretations. To prevent from that fact, the calibration shot method was proved to be efficient. The study on focal mechanism errors seems to lead to different conclusions. Obviously, the angular bias may be increased by neglecting the fault in the velocity. But, it may also be the same as or even smaller than the bias calculated for the case simulating a perfect knowledge of the medium of propagation. Furthermore a better seismic coverage always leads to smaller angular biases. Hence,it is worth advising to use more than only earthquake location in order to image a reservoir. Other geothermal sites and reservoirs may benefit from the method developed here. / Die korrekte Lokalisierung von induzierter Seismizität und den dazugehörigen Herdflächenlösungensind sehr wichtige Parameter. So werden zum Beispiel die Verteilung der Erdbeben und die Orientierung ihrer Herdflächenlösungen dazu benutzt um in der Tiefe liegende Reservoirs zulokalisieren und abzubilden. In dieser Doktorarbeit wird eine Technik vorgeschlagen um diemethodisch bedingten Fehler zu quantifizieren. Mit dieser Methode werden die verschiedenen Fehlerquellen, die Unsicherheiten und die Fehler im Modell getrennt. Die Technik wird für die geothermischen Felder in Soultz und in Rittershoffen benutzt um den Einfluss verschiedener Parameter (Annahmen) auf die Lokalisierung der induzierten Seismizität zu bestimmen. Es wurde festgestellt, dass Bohrlochseismometer und eine gute azimutale Verteilung der seismischen Stationen die Unbestimmtheiten verkleinern. Die Geschwindigkeitsunbestimmheiten, die durch eine Gauss-Verteilung mit 5% Fehler dargestellt werden, vervielfachen die Lokalisierungsungenauigkeiten um einen Faktor 2 bis 3. Eine ungenaue Kenntnis des Untergrunds oder die verwendete vereinfachte Darstellung der Geschwindigkeitsverhältnisse im Untergrund (notwendig um die synthetischen Rechnungen durchführen zu können) führen zu anisotropen Abweichungen und Fehlern in der Herdtiefe von bis zu 10%. Diese können die Interpretationen des Untergrunds deutlich verfälschen. Ein “calibration shot” kann diese Fehler korrigieren. Leider können die Fehler für die Herdflächenlösungen nicht in derselben Weise korrigiert werden. Es erscheint daher als keine gute Idee, ein Reservoir nur über die Lokalisierung von Erdbeben zu bestimmen. Eine Kombination mehrerer seismischer Methoden scheint angezeigt. Die hier besprochene Methode kann als Grundlage dienen für die Erkundung anderer (geothermischer)

In this study Monte Carlo solutions to the radiative transfer equations are used to model translational and rotational motion seismogram envelopes in random elastic media with deterministic background structure assuming multiple anisotropic scattering. The results of the Monte Carlo radiative transfer theory simulations are verified by comparisons with 3D full wave field finite difference simulations. The observation and modeling of the three additional components of rotational ground motions can provide independent information about seismic wave propagation in the Earth’s structure. Rotational motions around the vertical axis observed in the P-wave coda are of particular interest as they can only be excited by horizontally polarized shear waves and therefore indicate the conversion from P- to SH-energy by multiple scattering at 3D-heterogeneities. Scattering and attenuation parameters in south-east Germany beneath the Gräfenberg array and in the Vogtland region are estimated by comparisons of synthesized multi-component seismogram envelopes to seismic data from local and regional swarm earthquakes and to teleseismic events. In a first step, frequency dependent scattering and attenuation parameters from a local data set are estimated for the Vogtland region using nearby swarm earthquakes. The results from the elastic simulations are compared to outcomes from acoustic radiative transfer simulations. Both methods yield similar results and suggest that intrinsic attenuation dominates scattering attenuation. From the elastic simulations it is observable, that forward scattering is required to explain the data. However, the amount of forward scattering strength remains unresolvable. In a second step scattering and attenuation parameters beneath the Gräfenberg array are estimated using a nonlinear genetic inversion of seismogram envelopes from regional events at high frequencies (4–8 Hz). The preferred model of crustal heterogeneity consists of a random medium described by an exponential auto correlation function with a transport mean free path length of ∼ 420 km. The quality factor for elastic S-wave attenuation Q iS is around 700. In a final step simulations of teleseismic P-wave arrivals, using this estimated set of scattering and attenuation parameters, are compared to observed seismogram envelopes from deep events. Simulations of teleseismic events with the parameters found from the regional inversion show good agreement with the measured seismogram envelopes. This includes ringlaser observations of vertical rotations in the teleseismic P-wave coda that naturally result from the proposed model of wave scattering. The model also predicts, that the elastic energy recorded in the teleseismic P-coda is not equipartitioned, unlike the coda of regional events, but contains an excess of shear energy. The combined results from the three different data sets suggest that scattering generating the seismic coda mainly occurs in the crustal part of the lithosphere beneath the receivers. The observations do not require scattering of high frequency waves in the mantle, but weak scattering in the lithospheric mantle cannot be ruled out. / In dieser Studie werden Monte Carlo Lösungen für die Energietransfergleichungen genutzt, um Seismogrammeinhüllende von Translations- und Rotationsbewegungen zu modellieren. Die Ergebnisse der Monte Carlo Simulationen werden durch einen Vergleich mit 3D finiten Differenzen Simulationen verifiziert. Diese Modellierung findet in einem elastischen Zufallsmedium mit deterministischer Hintergrundstruktur unter Annahme multipler anisotroper Streuung statt. Die Beobachtung und Modellierung der drei zusätzlichen Komponenten der Rotationsbodenbewegungen kann unabhängige Informationen über die Ausbreitung seismischer Wellen im Erdkörper liefern. Rotationsbewegungen um die vertikale Achse in der P-Wellen Koda sind in diesem Zusammenhang von speziellem Interesse, da sie nur von horizontal polarisierten Scheerwellen angeregt werden können. Die gemessenen Rotationsbewegungen deuten folglich auf Konversionen von P- zu SH-Energie durch multiple Streuung an 3D-Heterogenitäten hin. Für die Bestimmung von Streu- und Dämpfungsparametern im Südosten Deutschlands (Gräfenberg Array, Vogtland) werden synthetisch erzeugte, mehrspurige Seismogrammeinhüllende mit Daten lokaler und regionaler Schwarmbeben und teleseismicher Ereignisse verglichen. In einem ersten Schritt werden frequenzabhängige Krustenparameter für die Vogtlandregion mittels eines lokalen Datensatzes von nahen Schwarmbeben bestimmt. Die Resultate mittels elastischer Energietransfertheorie werden mit Ergebnissen aus Simulationen mittels akustischer Energietransfertheorie verglichen. Beide Methoden liefern ähnliche Parameter und sagen einen größeren Einfluss der intrinsichen Dämpfung im Vergleich zur Streudämpfung voraus. Aus den elastischen Simulationen geht hervor, dass für die Beschreibung der Daten Vorwärtsstreung angenommen werden muss, die Stärke dieser lässt sich jedoch nicht auflösen. In einem zweiten Schritt werden die Streu- und Dämpfungseigenschaften der Erdkruste im Untergrund des Gräfenberg Arrays untersucht. Hierzu wird eine nicht-lineare genetische Inversion von Seismogrammeinhüllenden regionaler Ereignisse bei hohen Frequenzen (4–8 Hz) verwendet. Das bevorzugte Modell der Krustenheterogenität wird durch ein exponentielles Zufallsmedium, einer mittleren freien Transportweglänge von ca. 420 km und einem Qualitätsfaktor für S-Wellen Q iS von ca. 700 beschrieben. Ein letzter Schritt vergleicht Simulationen von teleseismischen P-Welleneinsätzen mit beobachteten Seismogrammeinüllenden von tiefen Erdbeben unter der Nutzung der Parameter aus der regionalen Inversion. Die Simulationen der teleseismischen Ereignisse mit den Parametern der regionalen Inversion zeigen eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Seismogrammeinhüllenden. Dieser Vergleich beinhaltet Ringlaserbeobachtungen der Rotationsbewegungen um die vertikale Achse, welche aus dem angenommenen Streumodell resultieren. Das Modell sagt voraus, dass die elastische Energie in der teleseismischen P-Wellen Koda im Gegensatz zur Koda lokaler oder regionaler Ereignisse nicht gleichverteilt ist, sondern einen Überschuss an Scheerenergie beinhaltet. Die Resultate aus den Untersuchungen der lokalen, regionalen und teleseismischen Datensätze zeigen, dass die Streuereignisse, welche die seismische Koda erklären, hauptsächlich in der Kruste unterhalb der seismischen Empfänger stattfinden. Streuung des Wellenfeldes im Mantel wird für die Erklärung der Daten nicht benötigt, schwache Streuung im lithosphärischen Mantel kann jedoch nicht ausgeschlossen werden.

This study is concerned with the computation of seismic first-arrival traveltimes in anisotropic media using finite difference eikonal methods. For this purpose, different numerical schemes that directly solve the eikonal equation are implemented and assessed numerically. Subsequently, they are used for pre-stack depth migration on synthetic and field data. The thesis starts with a detailed examination of different finite difference methods that have gained popularity in scientific literature for computing seismic traveltimes in isotropic media. The most appropriate for an extension towards anisotropic media are found to be the so-called Fast Marching/Sweeping methods. Both schemes rely on different iteration strategies, but incorporate the same upwind finite difference Godunov schemes that are implemented up to the second order. As a result, the derived methods exhibit high numerical accuracy and perform robustly even in highly contrasted velocity models. Subsequently, the methods are adapted for transversely isotropic media with vertical (VTI) and tilted (TTI) symmetry axes, respectively. Therefore, two different formulations for approximating the anisotropic phase velocities are tested, which are the weakly-anisotropic and the pseudo-acoustic approximation. As expected, the pseudo-acoustic formulation shows superior accuracy especially for strongly anisotropic media. Moreover, it turns out that the tested eikonal schemes are generally more accurate than anisotropic ray tracing approaches, since they do not require an approximation of the group velocity. Numerical experiments are carried out on homogeneous models with varying strengths of anisotropy and the industrial BP 2007 benchmark model. They show that the computed eikonal traveltimes are in good agreement with independent results from finite difference modelling of the isotropic and anisotropic elastic wave equations, and traveltimes estimated by ray-based wavefront construction, respectively. The computational performance of the TI eikonal schemes is largely increased compared to their original isotropic implementations, which is due to the algebraic complexity of the anisotropic phase velocity formulations. At this point, the Fast Marching Method is found to be more efficient on models containing up to 50 million grid points. For larger models, the anisotropic Fast Sweeping implementation gradually becomes advantageous. Here, both techniques perform independently well of the structural complexity of the underlying velocity model. The final step of this thesis is the application of the developed eikonal schemes in pre-stack depth migration. A synthetic experiment over a VTI/TTI layer-cake model demonstrates that the traveltime computation leads to accurate imaging results including a tilted, strongly anisotropic shale layer. The experiment shows further that the estimation of anisotropic velocity models solely from surface reflection data is highly ambiguous. In a second example, the eikonal solvers are applied for depth imaging of two-dimensional field data that were acquired for geothermal exploration in southern Tuscany, Italy. The developed methods also produce clear imaging results in this setting, which illustrates their general applicability for pre-stack depth imaging, particularly in challenging environments.

Das seitliche Kraftwiderstandssystem, in diesem Fall Stahlbetonkernwände eines 10-stöckigen Gebäudes, das aus Schwerkraftstützen und Scherwänden besteht, wurde linear (unter der Annahme eines linearen elastischen Materialverhaltens von Beton) und nichtlinear gerissen (unter Berücksichtigung des Materialverhaltens von Beton) unter seismische Belastung analysiert. Erst wurde die grundlegenden Methode der äquivalenten Seitenkraft zur Schätzung der seismischen Belastungen benutzt, später wurde die aktuelle Methode The Performance Based Seismic Design verwendet, bei der reale seismische Aufzeichnungen verwendet werden und die Beschleunigungen mithilfe der Software ETABS auf das Gebäude angewendet werden. Nach dem Anwenden der Beschleunigungen wurden die maximal resultierenden Kräfte und Verformungen bewertet. Das Gebäude wurde dann für die maximal resultierenden Kräfte ausgelegt.Der Inhalt des Hauptberichts ist: - Allgemeine Beschreibung des Gebäudes, seismische Standortinformationen, Standortantwortspektren, Belastung und seismische Kräfte einschließlich Analyse des modalen Antwortspektrums. - Lineares Design des Modells für Schwerkraft und seismische Belastungen, P-M-Wechselwirkungsdiagramme für den U-Querschnitt aus Stahlbeton, Entwurf einer Längs- und Schubbewehrung der Scherwände und des Koppelbalkens. - Zwei Varianten des nichtlinearen Modells, bei denen die Kernwand (Scherwände) gemäß jeder Variante entworfen wird, wobei der Einfluss des Dämpfungsmodells auf das nichtlineare dynamische Verhalten sowie der Einfluss des Kopplungsstrahlmodells auf das nichtlineare dynamische Verhalten untersucht werden. - Entwurfsüberprüfung, erst mit der Definition der Leistungsobjekte und Modell für die Zeitverlaufsanalyse. Es wurden zwei Leistungsziele untersucht: Vollbetriebs- und Lebenssicherheitsprüfungen. - In zwei Fällen wurde eine zusätzliche Studie zur Reaktion von nicht strukturellen Elementen aufgrund seismischer Belastung durchgeführt: Überprüfung des Vollbetriebs und der Lebenssicherheit. - Die Durchsetzungszeichnungen wurden fertiggestellt und dem Bericht beigefügt. Schlussfolgerung und Empfehlungen waren am Ende des Berichts. Dies ist wichtig für die Gesellschaft, da die verwendete Methode für die seismische Planung jedes Gebäudes verwendet werden kann. Es könnte ein Holzbau oder ein Mauerwerk sein. Die Gestaltung eines Mauerwerksgehäuses wird Gegenstand eines zukünftigen Forschungsprojekts sein. Allgemeine Ziele: Lineare und nichtlineare seismische Bemessung von Stahlbetongebäuden unter Verwendung der 'seismischen Bemessung der Leistungsgrundlagen:Acknowledgement 4 PART I: General Information, Site and Loading 5 1. General Information About the Building 5 1.1. Specified Material Properties: 6 1.2. Site Information: 6 1.3. Geometry (Figure I.1): 7 2. Site Seismicity and Design Coefficients 7 2.1. USGS Results 7 2.2. Site Response Spectra 8 2.3. Design Coefficients And Factors For Seismic Force-Resisting Systems 8 3. Loading 9 3.1. Determination Of Seismic Forces 9 3.2. Modal Response Spectrum Analysis 9 3.3. Seismic Load Effects And Combinations 11 PART II: Core Wall Design - Linear Model 12 4. Model of ETABS 12 4.1. Geometry 12 4.2. Gravity Loads 13 4.3. Seismic Loads 15 4.4. Tabulated Selected Results From ETABS Analysis 16 5. P-M Interaction Diagrams 17 5.1. N-S Direction 17 5.2. E-W Direction 19 6. Lateral Force Resisting System, Linear 20 6.1. Longitudinal Reinforcement 20 6.2. Shear Reinforcement 22 6.3. Boundary Elements 24 6.3.1. Transverse Reinforcement Of Boundary Elements 26 6.4. Coupling Beams 27 7. Detailing 30 PART III: Site Response Spectra and Input Ground Motions 31 8. Performance Levels 31 8.1. ASCE 7-16 Target Spectra 31 8.2. Site Response Spectra 34 8.2.1. Ground Motion Conditioning 34 8.2.2. Amplitude Scaling 37 8.2.3. Pseudo Acceleration and Displacement Response Spectra 38 PART IV: Non-Linear Model 40 9. Variant 1 of Non-Linear Model 40 9.1. Complete Core Wall Design for Combined Axial-Flexure 40 9.2. Modal Analysis 43 9.3. Influence of the Damping Model on the Nonlinear Dynamic Response 49 10. Variant 2 of Non-Linear Model 57 10.1. Influence of the Coupling Beam Model on the Nonlinear Dynamic Response 57 10.2. Estimated Roof Displacement 68 PART V: Design Verification 70 11. General 70 11.1. Performance Objectives 70 11.2. Model For Time-History Analyses 71 11.3. Performance Level Verification 71 11.4. Fully Operational Performance Level Verification 71 11.5. Life Safety Performance Level Verification 78 PART VI: Capacity Design of Force Controlled Elements and Regions and Design of Acceleration-Sensitive Nonstructural Elements 87 12. General 87 12.1. Design Verification 87 12.1.1. Full Occupancy Case 87 12.1.2. Life Safety Case 91 12.1.3. Observations on Plots 93 12.2. Acceleration response spectra at roof level 94 12.2.1. Observations on Plots 95 12.3. Core Wall 97 12.4. Design Detail Comparison 103 12.5. Detailed Drawing 103 12.6. Diaphragm 104 12.7. Fire Sprinkler System 117 12.8. Overhanging Projector 119 PART VII: Conclusion 122 / Lateral Force Resisting System, in this case reinforced concrete core walls of a 10 story building consists of gravity columns and shear walls, has been analyzed in linear (assuming linear elastic material behavior of concrete) and nonlinear cracked (considering plastic material behavior of concrete) case, for seismic loading. Starting with the basic method of equivalent lateral force to estimate the seismic loads, then using the up to date method, The Performance Based Seismic Design, which uses real seismic records and apply the accelerations on the building using the software ETABS. After applying the accelerations, maximum resulted forces and deformations have been evaluated. The building then have been designed for the maximum resulted forces. The contents of the main report are: - General description of the building, site seismic information, site response spectra, loading and seismic forces including modal response spectrum analysis. - Linear design of the model for gravity and seismic loads, P-M interaction diagrams developed for U cross section from reinforced concrete, designing longitudinal and shear reinforcement of the shear walls and coupling beam. - Two variants of Nonlinear model, designing the core wall (shear walls) according to each variant, studying the influence of damping model on the nonlinear dynamic response, as well as the influence of the coupling beam model on the nonlinear dynamic response. - Design verification, starting with defining the performance objects, and model for time history analysis. Two performance objectives have been studied: Fully operational and Life safety level verifications. - Additional study was performed for the response of non-structural elements due to seismic loading in two cases: Fully operational and Life safety level verifications. - Reinforcement Drawings have been finalized and attached to the report. - Conclusion and recommendations was at the end of the report. It is important for the society, because the used method could be used for the seismic design of any building. It could be wood building or masonry building. Designing a masonry building case will be the subject of future research project. Overall objectives: Linear and Nonlinear seismic design of reinforced concrete building using the performance bases seismic design.:Acknowledgement 4 PART I: General Information, Site and Loading 5 1. General Information About the Building 5 1.1. Specified Material Properties: 6 1.2. Site Information: 6 1.3. Geometry (Figure I.1): 7 2. Site Seismicity and Design Coefficients 7 2.1. USGS Results 7 2.2. Site Response Spectra 8 2.3. Design Coefficients And Factors For Seismic Force-Resisting Systems 8 3. Loading 9 3.1. Determination Of Seismic Forces 9 3.2. Modal Response Spectrum Analysis 9 3.3. Seismic Load Effects And Combinations 11 PART II: Core Wall Design - Linear Model 12 4. Model of ETABS 12 4.1. Geometry 12 4.2. Gravity Loads 13 4.3. Seismic Loads 15 4.4. Tabulated Selected Results From ETABS Analysis 16 5. P-M Interaction Diagrams 17 5.1. N-S Direction 17 5.2. E-W Direction 19 6. Lateral Force Resisting System, Linear 20 6.1. Longitudinal Reinforcement 20 6.2. Shear Reinforcement 22 6.3. Boundary Elements 24 6.3.1. Transverse Reinforcement Of Boundary Elements 26 6.4. Coupling Beams 27 7. Detailing 30 PART III: Site Response Spectra and Input Ground Motions 31 8. Performance Levels 31 8.1. ASCE 7-16 Target Spectra 31 8.2. Site Response Spectra 34 8.2.1. Ground Motion Conditioning 34 8.2.2. Amplitude Scaling 37 8.2.3. Pseudo Acceleration and Displacement Response Spectra 38 PART IV: Non-Linear Model 40 9. Variant 1 of Non-Linear Model 40 9.1. Complete Core Wall Design for Combined Axial-Flexure 40 9.2. Modal Analysis 43 9.3. Influence of the Damping Model on the Nonlinear Dynamic Response 49 10. Variant 2 of Non-Linear Model 57 10.1. Influence of the Coupling Beam Model on the Nonlinear Dynamic Response 57 10.2. Estimated Roof Displacement 68 PART V: Design Verification 70 11. General 70 11.1. Performance Objectives 70 11.2. Model For Time-History Analyses 71 11.3. Performance Level Verification 71 11.4. Fully Operational Performance Level Verification 71 11.5. Life Safety Performance Level Verification 78 PART VI: Capacity Design of Force Controlled Elements and Regions and Design of Acceleration-Sensitive Nonstructural Elements 87 12. General 87 12.1. Design Verification 87 12.1.1. Full Occupancy Case 87 12.1.2. Life Safety Case 91 12.1.3. Observations on Plots 93 12.2. Acceleration response spectra at roof level 94 12.2.1. Observations on Plots 95 12.3. Core Wall 97 12.4. Design Detail Comparison 103 12.5. Detailed Drawing 103 12.6. Diaphragm 104 12.7. Fire Sprinkler System 117 12.8. Overhanging Projector 119 PART VII: Conclusion 122

In dieser Arbeit werden bohrlochseismsiche Messungen sowohl mit Bohrlochmessungen als auch mit oberflächenseismischen Messungen ausgewertet und verglichen um das bohrlochnahe Umfeld der Forschungsbohrung COSC-1 (Collisional Orogeny in the Scandinavian Caledonides) zu beschreiben. Die bohrlochseismischen Daten zeigen deutlich hohe Reflektivität und seismische Anisotropie der erbohrten geologischen Einheit, der Seve-Decke. Diese Decke zeichnet sich durch einen häufigen Wechsel von mafischen und felsischen Gesteinen aus, welcher auch durch eine Clusteranalyse der Bohrlochmessungen deutlich wird. Die Ergebnisse der Clusteranalyse korrelieren gut mit den seismisch abgebildeten Untergrundstrukturen und den seismischen Geschwindigkeiten. Abschließend wurde die virtual source method als Beispiel der seismischen Interferometrie an einem Teildatensatz erfolgreich getestet. Mit dem Ansatz wurde eine künstliche Messgeometrie mit seismischen Quellen und Empfängern im Bohrloch erzeugt, welche eine gute Datenqualität aufzeigen. / In this thesis, the vicinity of the scientific borehole COSC-1 (Collisional Orogeny in the Scandinavian Caledonides) is investigated by the combination of a borehole seismic survey with downhole logging data and a surface seismic survey. The borehole seismic data show a significantly higher reflectivity and seismic anisotropy within the drilled geological unit, the Seve Nappe. This nappe is characterised by frequent changes of mafic and felsic lithologies that are also highlighted by a cluster analysis. The results of the cluster analysis correlate well with structures of the subsurface as imaged by the surface seismic survey and with seismic velocities. Additionally, the virtual source method as example for seismic interferometry is applied to a data subset. This approach created a virtual survey geometry with seismic sources and receivers within the borehole and a good data quality.

Ein transversales Störungssystem im Nahen Osten, die Dead Sea Transform (DST), trennt die Arabische Platte von der Sinai-Mikroplatte und erstreckt sich von Süden nach Norden vom Extensionsgebiet im Roten Meer über das Tote Meer bis zur Taurus-Zagros Kollisionszone. Die sinistrale DST bildete sich im Miozän vor etwa 17 Ma und steht mit dem Aufbrechen des Afro-Arabischen Kontinents in Verbindung. Das Untersuchungsgebiet liegt im Arava Tal zwischen Totem und Rotem Meer, mittig über der Arava Störung (Arava Fault, AF), die hier den Hauptast der DST bildet.<br /> <br /> Eine Reihe seismischer Experimente, aufgebaut aus künstlichen Quellen, linearen Profilen über die Störung und entsprechend entworfenen Empfänger-Arrays, zeigt die Untergrundstruktur in der Umgebung der AF und der Verwerfungszone selbst bis in eine Tiefe von 3-4 km. Ein tomographisch bestimmtes Modell der seismischen Geschwindigkeiten von P-Wellen zeigt einen starken Kontrast nahe der AF mit niedrigeren Geschwindigkeiten auf der westlichen Seite als im Osten. Scherwellen lokaler Erdbeben liefern ein mittleres P-zu-S Geschwindigkeitsverhältnis und es gibt Anzeichen für Änderungen über die Störung hinweg. Hoch aufgelöste tomographische Geschwindigkeitsmodelle bestätigen der Verlauf der AF und stimmen gut mit der Oberflächengeologie überein. <br /> <br /> Modelle des elektrischen Widerstands aus magnetotellurischen Messungen im selben Gebiet zeigen eine leitfähige Schicht westlich der AF, schlecht leitendes Material östlich davon und einen starken Kontrast nahe der AF, die den Fluss von Fluiden von einer Seite zur anderen zu verhindern scheint. Die Korrelation seismischer Geschwindigkeiten und elektrischer Widerstände erlaubt eine Charakterisierung verschiedener Lithologien im Untergrund aus deren physikalischen Eigenschaften. Die westliche Seite lässt sich durch eine geschichtete Struktur beschreiben, wogegen die östliche Seite eher einheitlich erscheint. Die senkrechte Grenze zwischen den westlichen Einheiten und der östlichen scheint gegenüber der Oberflächenausprägung der AF nach Osten verschoben zu sein.<br /> <br /> Eine Modellierung von seismischen Reflexionen an einer Störung deutet an, dass die Grenze zwischen niedrigen und hohen Geschwindigkeiten eher scharf ist, sich aber durch eine raue Oberfläche auf der Längenskala einiger hundert Meter auszeichnen kann, was die Streuung seismischer Wellen begünstigte. Das verwendete Abbildungsverfahren (Migrationsverfahren) für seismische Streukörper basiert auf Array Beamforming und der Kohärenzanalyse P-zu-P gestreuter seismischer Phasen. Eine sorgfältige Bestimmung der Auflösung sichert zuverlässige Abbildungsergebnisse.<br /> <br /> Die niedrigen Geschwindigkeiten im Westen entsprechen der jungen sedimentären Füllung im Arava Tal, und die hohen Geschwindigkeiten stehen mit den dortigen präkambrischen Magmatiten in Verbindung. Eine 7 km lange Zone seismischer Streuung (Reflektor) ist gegenüber der an der Oberfläche sichtbaren AF um 1 km nach Osten verschoben und lässt sich im Tiefenbereich von 1 km bis 4 km abbilden. Dieser Reflektor markiert die Grenze zwischen zwei lithologischen Blöcken, die vermutlich wegen des horizontalen Versatzes entlang der DST nebeneinander zu liegen kamen. Diese Interpretation als lithologische Grenze wird durch die gemeinsame Auswertung der seismischen und magnetotellurischen Modelle gestützt. Die Grenze ist möglicherweise ein Ast der AF, der versetzt gegenüber des heutigen, aktiven Asts verläuft. Der Gesamtversatz der DST könnte räumlich und zeitlich auf diese beiden Äste und möglicherweise auch auf andere Störungen in dem Gebiet verteilt sein. / The Dead Sea Transform (DST) is a prominent shear zone in the Middle East. It separates the Arabian plate from the Sinai microplate and stretches from the Red Sea rift in the south via the Dead Sea to the Taurus-Zagros collision zone in the north. Formed in the Miocene about 17 Ma ago and related to the breakup of the Afro-Arabian continent, the DST accommodates the left-lateral movement between the two plates. The study area is located in the Arava Valley between the Dead Sea and the Red Sea, centered across the Arava Fault (AF), which constitutes the major branch of the transform in this region.<br /> <br /> A set of seismic experiments comprising controlled sources, linear profiles across the fault, and specifically designed receiver arrays reveals the subsurface structure in the vicinity of the AF and of the fault zone itself down to about 3-4 km depth. A tomographically determined seismic P velocity model shows a pronounced velocity contrast near the fault with lower velocities on the western side than east of it. Additionally, S waves from local earthquakes provide an average P-to-S velocity ratio in the study area, and there are indications for a variations across the fault. High-resolution tomographic velocity sections and seismic reflection profiles confirm the surface trace of the AF, and observed features correlate well with fault-related geological observations.<br /> <br /> Coincident electrical resistivity sections from magnetotelluric measurements across the AF show a conductive layer west of the fault, resistive regions east of it, and a marked contrast near the trace of the AF, which seems to act as an impermeable barrier for fluid flow. The correlation of seismic velocities and electrical resistivities lead to a characterisation of subsurface lithologies from their physical properties. Whereas the western side of the fault is characterised by a layered structure, the eastern side is rather uniform. The vertical boundary between the western and the eastern units seems to be offset to the east of the AF surface trace.<br /> <br /> A modelling of fault-zone reflected waves indicates that the boundary between low and high velocities is possibly rather sharp but exhibits a rough surface on the length scale a few hundreds of metres. This gives rise to scattering of seismic waves at this boundary. The imaging (migration) method used is based on array beamforming and coherency analysis of P-to-P scattered seismic phases. Careful assessment of the resolution ensures reliable imaging results.<br /> <br /> The western low velocities correspond to the young sedimentary fill in the Arava Valley, and the high velocities in the east reflect mainly Precambrian igneous rocks. A 7 km long subvertical scattering zone reflector is offset about 1 km east of the AF surface trace and can be imaged from 1 km to about 4 km depth. The reflector marks the boundary between two lithological blocks juxtaposed most probably by displacement along the DST. This interpretation as a lithological boundary is supported by the combined seismic and magnetotelluric analysis. The boundary may be a strand of the AF, which is offset from the current, recently active surface trace. The total slip of the DST may be distributed spatially and in time over these two strands and possibly other faults in the area.