RISPOSTA SISMICA LOCALE

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1 SEMINARIO ON LINE: RISPOSTA SISMICA LOCALE Il webinar avrà inizio alle ore 16:00 STACEC r.s.l. Ing. Salvatore Santangelo

2 Analisi della risposta sismica locale mediante metodi numerici Mercoledì 21/06/2017, Webinar Ing. Salvatore Santangelo Analista presso Stacec , Bologna S. Santangelo, Risposta sismica locale 2

3 NATURA DEI TERREMOTI I terremoti più violenti sono di origine tettonica e sono associati allo scorrimento di grandi fratture o faglie presenti nella crosta terrestre, oppure alla improvvisa rottura di ammassi rocciosi. Gli scorrimenti e/o la rottura derivano dalla tendenza dei blocchi crostali a muoversi l uno rispetto all altro determinando l insorgere di sforzi di taglio, e il conseguente accumulo di energia elastica, sino al raggiungimento della resistenza limite al taglio del materiale in un punto detto ipocentro o fuoco. Una volta raggiunto lo stato limite si innesca un brusco scorrimento tra i lembi della superficie di rottura con ridistribuzione delle tensioni di taglio su di essa. Il terremoto è quindi associato alla improvvisa liberazione dell energia di deformazione accumulata nel periodo precedente alla rottura. Il fenomeno di vibrazione prodotto dall evento sismico è il risultato della propagazione a distanza dall ipocentro di onde elastiche di volume, che in profondità attraversano ammassi di roccia lapidea ed in superficie in genere interessano formazioni di terreni sciolti.

4 Le onde elastiche NATURA DEI TERREMOTI , Webinar Ing. S. Santangelo, Risposta sismica locale

5 L importanza delle onde S NATURA DEI TERREMOTI Le onde sismiche si propagano nelle formazioni rocciose e nei depositi di terreni sciolti, costituiti da uno scheletro solido e dai fluidi interstiziali (acqua e gas). Nell ipotesi che gli spazi intergranulari siano interamente occupati dall acqua, il terreno può essere assimilato a un mezzo poroso bifase (solido-liquido). Assumendo l incompressibilità dei granuli solidi e dell acqua interstiziale, la deformazione volumetrica di un elemento di terreno è possibile solo se c è variazione del contenuto in acqua. In condizioni dinamiche, infatti, la velocità di applicazione delle azioni è alta rispetto alla capacità dell acqua di fluire tra i granuli. Ne consegue che le deformazioni volumetriche sono ridotte, per cui sono modesti gli effetti prodotti dalle onde P, tranne che in prossimità dell epicentro. Al contrario le deformazioni prodotte dalle onde S sono condizionate dalla rigidezza dello scheletro solido e risultano di norma molto maggiori. Quindi è ragionevole assumere che i principali effetti del sisma sono legati alle sole onde di taglio. Le onde S raggiungono la superficie dopo avere attraversato i depositi di terreni sciolti che ne modificano le caratteristiche in dipendenza delle loro proprietà meccaniche e della morfologia superficiale e sepolta del sito. Nel propagarsi verso la superficie le onde incontrano mezzi di rigidezza variabili e subiscono fenomeni di rifrazione e riflessione che ne modificano in contenuto energetico e la direzione di propagazione. In particolare, per stratificazioni orizzontali le onde tendono a disporsi secondo una direzione di propagazione verticale o sub-verticale. In definitiva, nella maggior parte dei casi, un terremoto può essere schematizzato come la semplice propagazione di un treno di onde S polarizzate in orizzontale (dette anche onde SH) le quali generano in cosiddetto moto ondulatorio.

6 Gli effetti di sito NATURA DEI TERREMOTI Le onde sismiche durante il loro percorso di propagazione dall epicentro ad uno specifico sito di interesse vengono fortemente modificate in termini di: - Durata; - Ampiezza; - Contenuto in frequenza. Tali modifiche dipendono dalle caratteristiche dei materiali attraversati (geologia) e dalla morfologia del sito in esame. Questo specifico fenomeno viene detto: Effetto di sito. Gli effetti di sito possono essere classificati come segue: - Effetti stratigrafici (1D): sono legati all interazione tra le onde sismiche e le caratteristiche geotecniche dei terreni e ai fenomeni di risonanza tra onde sismiche e terreno. - Effetti di valle (2D o 3D): sono legati all interazione delle onde sismiche e la morfologia sepolta con effetti di insorgenza delle onde di superficie e di focalizzazione delle onde sismiche. - Effetti topografici 2D o 3D: sono legati all interazione delle onde sismiche e la morfologia con effetti di focalizzazione delle onde sismiche.

7 Valutazione quantitativa ANALISI DELLA RISPOSTA SISMICA LOCALE Dal punto di vista strettamente fisico, per ANALISI DI RISPOSTA SISMICA LOCALE si intende la valutazione quantitativa delle modifiche in ampiezza, durata e contenuto in frequenza subite da un moto sismico, relativo ad una formazione rocciosa di base (R), attraversando gli strati di terreno sovrastanti fino alla superficie (S). Dal punto di vista tecnico, è forse più significativa una valutazione alternativa di tale fenomeno, cioè quella che assume come moto sismico di riferimento quello relativo ad un ipotetico (o reale) affioramento della formazione rocciosa di base (A). La valutazione quantitativa della risposta sismica locale può quindi effettuarsi sulla base del confronto tra le diverse grandezze rappresentative del moto sismico alla superficie del terreno e quello di riferimento (roccia di base o affiorante), nel dominio del tempo o delle frequenze.

8 ANALISI DELLA RISPOSTA SISMICA LOCALE Valutazione della risposta sismica locale in termini di accelerazione massima

9 ANALISI DELLA RISPOSTA SISMICA LOCALE Valutazione della risposta sismica locale in termini di analisi di Fourier Funzione di trasferimento H(f) Funzione di amplificazione A(f)

10 ANALISI DELLA RISPOSTA SISMICA LOCALE Valutazione della risposta sismica locale in termini di spettri di Risposta Funzione di amplificazione FA(T)

11 RISPOSTA SISMICA LOCALE E PROGETTAZIONE STRUTTURALE Influenza della natura del deposito sullo spettro di risposta La prassi ingegneristica per la progettazione strutturale in zona sismica prevede l impiego di spettri di risposta di accelerazione. Fissato un evento atteso, in base ad un analisi della pericolosità regionale, gli spettri di risposta sono notevolmente influenzati dalle condizioni locali. La dipendenza dello spettro di risposta dalla natura del terreno è stata puntualizzata da un celebre lavoro di Seed et al. (1974) che hanno esaminato statisticamente gli spettri di risposta di 104 registrazioni relative a 23 eventi sismici avvenuti negli Stati Uniti, Giappone e Turchia in relazione alle diverse caratteristiche stratigrafiche dei siti raggruppabili in quattro classi: Roccia, depositi di terreni consistenti, depositi di terreni incoerenti profondi, depositi di terreni coesivi di consistenza medio-bassa e incoerenti sciolti.

12 RISPOSTA SISMICA LOCALE E PROGETTAZIONE STRUTTURALE Normativa italiana (NTC 2008) "Ai fini della definizione dell azione sismica di progetto, si rende necessario valutare l effetto della risposta sismica locale mediante specifiche analisi, come indicato nel In assenza di tali analisi, per la definizione dell azione sismica si può fare riferimento a un approccio semplificato, che si basa sull individuazione di categorie di sottosuolo di riferimento (Tab. 3.2.II e 3.2.III)." [ NTC08]

13 RISPOSTA SISMICA LOCALE E PROGETTAZIONE STRUTTURALE Normativa italiana (NTC 2008) "Per sottosuoli appartenenti alle ulteriori categorie S1 ed S2 di seguito indicate (Tab. 3.2.III), è necessario predisporre specifiche analisi per la definizione delle azioni sismiche, particolarmente nei casi in cui la presenza di terreni suscettibili di liquefazione e/o di argille d elevata sensitività possa comportare fenomeni di collasso del terreno." [ NTC08]

14 RISPOSTA SISMICA LOCALE E PROGETTAZIONE STRUTTURALE Normativa italiana (NTC 2008) Amplificazione dovuta alle caratteristiche stratigrafiche e topografiche del sito.

15 RISPOSTA SISMICA LOCALE E PROGETTAZIONE STRUTTURALE Normativa italiana (NTC 2008) 0.3 Spettri di progetto Sa [g] 0.15 Ordinate spettrali più alte per periodi lunghi Suolo A Suolo B Suolo C 0.1 Suolo D Suolo E PGA più alte T [sec]

16 RISPOSTA SISMICA LOCALE E PROGETTAZIONE STRUTTURALE Normativa italiana (NTC 2008) Attribuzione della categoria di sottosuolo > 3 m Hcop < 3 m Vs,30 > 800 m/s A < 800 m/s? m < 20 m Vs,30 Hdep m/s?? > 30 m < 360 m/s m/s Vs,30 < 180 m/s E B m/s D C

17 METODI PER LA VALUTAZIONE DELLA RSL METODI EMPIRICI Sono pratici e poco costosi e basati su analisi statistiche. Si utilizzano per valutazioni di massima e/o in situazioni semplici. (Utilizzati da alcune normative sismiche come NTC08). METODI APPROSSIMATI Sono pratici e poco costosi e in genere disponibili per effettuare la valutazione di effetti stratigrafici (1D). Sono allo stato attuale i metodi che restituiscono una previsione più accurata del fenomeno e si adattano a situazioni complesse. METODI SPERIMENTALI Sono più o meno costosi e basati su indagini in sito della risposta del sottosuolo sollecitato attraverso varie modalità.

18 Steps analisi numerica della RSL 1. Scelta dell input sismico (accelerogrammi naturali); 2. Scelta del tipo di modello (1D vs 2D); 3. Definizione delle caratteristiche meccaniche dei sismostrati; 4. Analisi numerica mediante codice di calcolo (LSR2D); 5. Interpretazione dei risultati e dati di output.

19 Scelta dell input sismico Si tratta di definire un set di almeno 7 gruppi di accelerogrammi che siano indicativi del sisma atteso per l area di studio (spettro-compatibilità). Dove il singolo gruppo di accelerogrammi contiene 3 storie temporali di accelerazione al suolo rispettivamente per le componenti x, y, e z. Il punto di partenza per la determinazione di tali accelerogrammi sono i parametri che definiscono la pericolosità sismica di base:

20 Scelta dell input sismico Mediante il software free SismoGIS (Stacec srl) è possibile ottenere i parametri che definiscono la pericolosità sismica di base in funzione: - Coordinate del sito; - Classe d uso e vita nominale della costruzione; - Stato limite considerato.

21 Scelta dell input sismico L'estrazione degli accelerogrammi di input prevede la determinazione di altri parametri sismologici, oltre il valore di ag. In particolare, bisogna conoscere per il sito in esame i dati di disaggregazione (variabilità in termini di magnitudo e distanza), desumibili dalla pagina del sito dell'istituto di Geofisica e Vulcanologia di Milano dedicata ai dati di pericolosità sismica nazionale.

22 Scelta dell input sismico Step 1 Si inseriscono le coordinate del sito in ED50. Step 2 Si seleziona la probabilità di superamento in 50 anni in funzione dello stato limite considerato ed il percentile di 50 (costante per progettazione secondo NTC08). Step 3 Step 1 Step 3 Cliccare sul punto più vicino del reticolo per ottenere il grafico di disaggregazione. Step 2

23 Scelta dell input sismico Grafico di disaggregazione Rmin = 0 Rmax= 40 Mmax = 7,5 Mmin = 4,0 Distanza epicentrale = 0 40 km Magnitudo = 4,0 7,5

24 Scelta dell input sismico Riepilogo dati stato limite di salvaguardia della vita Coordinate del sito (Bovalino): Latitudine (ED50) = 38,1510 Longitudine (ED50) = 16,1757 Scelte progettuali: Vita Nominale (Vn) Classe d uso Stato limite di riferimento Accelerazione orizzontale massima attesa = 50 anni = III = SLV = 0,228 g Dati di disaggregazione: Distanza epicentrale (R) = 0 40 km Magnitudo (M) = 4,0 7,5

25 Scelta dell input sismico Il passo successivo, una volta ottenuti per il sito in esame i parametri riportati nella tabella di riepilogo precedente, è quello di estrarre da database disponibili in rete una serie di accelerogrammi di eventi naturali che soddisfino i requisiti definiti dai parametri suddetti. A tal proposito è possibile utilizzare il software gratuito Rexel 3.5 beta (RELUIS). Tale applicativo consente di effettuare l'estrazione di un set di accelerogrammi di input dalle seguenti banche dati: La banca dati europea ESD (Ambraseys et al., 2004); La banca dati italiana ITACA (Working Group ITACA 2010); La banca dati SIMBAD (Smerzini e Paolucci, 2011).

26 Step 1 Selezionare Italian building code nella finestra Target Spectrum ed inserire le coordinate del sito (ED50). Step 2 Inserire i parametri di progetto, tenendo presente di indicare Site class EC8 pari ad A e Topographic category pari a T1; spuntare infine horizontal. Step 1 Scelta dell input sismico Step 3 Inserire i dati relativi allo studio di Step 2 disaggregazione in termini di coppie magnitudodistanza, selezionare il database da interrogare (ESD, ITACA o SIMBAD) e confermare la finestra Same as target spectrum per Step 3 ottenere input sismici la cui media sia aderente allo spettro target del progetto in esame.

27 Step 4 Viene richiesta la massima tolleranza relativamente allo scarto tra spettro di riferimento del sito e lo spettro di risposta medio dei 7 input da estrarre. Scelta dell input sismico Step 5 Deselezionare sia Scaled records (permette di ricorrere ad accelerogrammi spettrocompatibili solo se scalati) sia I'm feeling lucky (restituisce solo la prima combinazione senza valutazioni sull'errore associato) e cliccare la finestra di output richiesta. Step 4 Step 5

28 Scelta dell input sismico Successivamente l applicativo aprirà la figura dello spettro scelto e dopo la chiusura di tale figura, una cartella compressa con all'interno i dati relativi alla combinazione dei 7 input, tra cui: il file info.xls (che riporta i dati associati ai 7 accelerogrammi relativi alla combinazione scelta) ed i files in formato codiceterremoto_record.txt (es ya_record.txt) che riportano le storie temporali (time- histories) di ognuno dei 7 input sismici.

29 Scelta del tipo di modello (1D vs 2D) Mediante l approccio numerico è possibile condurre: - Analisi RSL Monodimensionali (si stimano gli effetti di amplificazione dovuti alla stratigrafia del deposito); - Analisi RSL Bidimensionali e Tridimensionali (oltre agli effetti della stratigrafia è possibile valutare anche quelli dovuti alla morfologia). L ipotesi 1D è applicabile quando: - geometria del deposito riconducibile a quelle di strati orizzontali infinitamente estesi e la superficie del basamento è orizzontale; - colonna di terreno considerata per le analisi sufficientemente lontana dai margini del deposito, la cui pendenza deve essere peraltro modesta per ridurre gli effetti bidimensionali legati alla riflessione delle onde; - dimensioni orizzontali del deposito elevate rispetto allo spessore; - propagazione verticale del sisma.

30 Definizione delle caratteristiche meccaniche dei sismostrati Di seguito si riporta un esempio di stratigrafia fornita dal geologo incaricato delle indagini al modellista. I parametri necessari per ogni strato sono: spessori, valori di Vs e densità dei mezzi, con relativa attribuzione litologica dello strato. La campagna d'indagine deve essere forzatamente spinta fino a giungere ad un substrato sismico (Vs >800 m/s o al limite, come riportato nel Cap. C della Circolare allegata alle NTC2008, per valori non inferiori a 700 m/s). Eventualmente, qualora la campagna d'indagine non ravvisi la presenza di substrato sismico fino a profondità comprese tra 100 e 200 m dal piano campagna, è possibile utilizzate il sismostrato di base come punto di generazione degli input sismici, motivando la scelta sulla base del fatto che l'analisi 1D per profondità superiori ai 100m tende comunque ad una sottostima dell'azione sismica poiché, a meno che nei livelli superficiali sussistano contrasti di rigidità non trascurabili, prevalgono fenomeni dissipativi a quelli amplificativi. Natura terreno Profondità (m) Spessore (m) Vs (m/s) Densità (kn/mc) Terreno di riporto , Limo argilloso (alluvioni recenti) , Sabbie (alluvioni recenti) Ghiaie lacustri Argille lacustri Substrato roccioso (Formazione di Monte Morello prevalentemente calcarea) >35 >

31 Definizione delle caratteristiche meccaniche dei sismostrati Modello di Kelvin-Voigt

32 Definizione delle caratteristiche meccaniche dei sismostrati

33 Definizione delle caratteristiche meccaniche dei sismostrati A rigore le curve di non linearità dei materiale andrebbero determinate da opportune prove di laboratorio. Qualora non si disponesse di tali dati è possibile utilizzare delle curve presenti in letteratura. Le più utilizzate dalla comunità scientifica sono: - EPRI (Electric Power Research Institute 1993) per roccie e sabbie in funzione della tensione media di confinamento; - Vucetic and Dobry (1991) per le argille in funzione dell indice di plasticità PI.

34 Definizione delle caratteristiche meccaniche dei sismostrati È importante verificare a posteriori che il massimo livello di deformazione raggiunto dal terreno non ecceda la soglia volumetrica, in quanto per livelli deformativi superiori a tale soglia la risposta del terreno è marcatamente non lineare ed i risultati ottenuti mediante l approccio lineare equivalente non sono più sufficientemente accurati.

35 Definizione delle caratteristiche meccaniche dei sismostrati Nell esempio seguente sono state utilizzate le curve EPRI 0-20 ft ed EPRI ft per sabbie e ghiaie e Vucetic and Dobry PI=15 presenti all interno del codice di calcolo LSR2D (Stacec srl).

36 Analisi numerica mediante codice di calcolo (LSR2D) Il codice di calcolo LSR2D, proposto per l analisi numerica di RSL, implementa un modello agli elementi finiti per la soluzione dell equazione differenziale che governa il problema della propagazione delle onde sismiche. Tale modello necessita dunque di una discretizzazione mediante un reticolo di elementi finiti quadrangolari o triangolari (MESH). Tale discretizzazione deve rispondere ai seguenti requisiti: Non presentare elementi eccessivamente distorti; Elementi aventi dimensione p sufficientemente piccole da non andare incontro a problemi di ALIASING nella modellazione numerica. p

37 Analisi numerica mediante codice di calcolo (LSR2D) Le frontiere laterali devono essere in grado di modellare la perdita di energia dovuta all allontanamento delle onde sismiche dalla regione discretizzata. In caso contrario si generano onde riflesse che vengono artificialmente introdotte nella regione di interesse. Per simulare compiutamente la base deformabile è necessario applicare smorzatori viscosi alla base del modello. Discretizzazione in elementi finiti triangolari Smorzatori viscosi Frontiere laterali Smorzatori viscosi bedrock

38 Analisi numerica mediante codice di calcolo (LSR2D) Scelta del passo mesh (ALIASING) Il passo del reticolo di discretizzazione deve essere tale da consentire una ricostruzione sufficientemente accurata di tutte le armoniche che costituiscono le onde sismiche che si propagano nel mezzo. L armonica avente lunghezza d onda più piccola è quella relativa alla massima frequenza che si vuole riprodurre nell analisi numerica:

39 Analisi numerica mediante codice di calcolo (LSR2D) Terremoto di riferimento NO (k = k + 1) SI

40 Interpretazione dei risultati e dati di output (Punti di controllo) P1 P Sa [m/s2] 10 8 Sa [m/s2] T [sec] T [sec]

41 Interpretazione dei risultati e dati di output (Spettri di risposta). Sa=13.33 m/sec2 Sa=14.15 m/sec2 T=0.16 sec T=0.43 sec

42 Interpretazione dei risultati e dati di output (funzione di amplificazione). P1 P2 3 FA= FA= (T) FA( T=0.16 sec T=0.43 sec 1 10 T [sec]

43 Interpretazione dei risultati e dati di output. Accelerazione orizzontale Tensioni tangenziali massime Deformazioni tangenziali massime

44 Interpretazione dei risultati e dati di output (colonne di controllo). 0 ax [m/s2] ax [m/s2] τmax [kpa] τmax [kpa] z [m] 20 z [m] 40 z [m] 20 z [m]

45 CONCLUSIONI Le condizioni geologiche e morfologiche di un sito sono responsabili di alterazioni delle onde sismiche che si propagano nel sottosuolo; tali alterazioni hanno un peso estremamente rilevante sull entità dei danni subiti dalle costruzioni a seguito di un evento sismico; La scelta del metodo da utilizzare per una valutazione quantitativa degli effetti di sito deve essere condotta in funzione dell accuratezza che si vuole raggiungere; I metodi più affidabili e che meglio si adattano alle situazioni geomorfologiche reali sono le analisi numeriche di risposta sismica locale; L approccio semplificato basato sulla Vs,30, proposto nell NTC, oltre a presentare dei limiti di base, non può essere applicato in tutte le situazioni ed in tal caso la stessa normativa suggerisce di utilizzare dei metodi specifici.

46 RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI Ambraseys, N.N., Simpson K.A. and Bommer J.J. (1996). Prediction of horizontal response spectra in Europe. Earthquake Engineering and Structural Dynamics. Alessandro Pagliaroli. Numerical and experimental methods for estimating ground motion amplification. CNR IGAG. C.G, Lai, S. Foti, M.Rota. Input Sismico e Stabilità Geotecnica dei Siti di Costruzione. IUSS Press. Hudson, M.B., Idriss, I.M., Beikae, M. (1993). QUAD4M, A computer program for evaluating the seismic responce of soil structure by variable damping finite element procedures. Report of Dip. Of Civil & Enviromental Eng., University of California, Davis. Lanzo G. (2005). Risposta Sismica Locale, in Aspetti Geotecnici della Progettazione in Zona Sismica-Linee Guida, Edizione provvisoria marzo 2005, Patron Editore. Macerola L., Durante F., Milana G., Nocentini M., Santangelo S., Tallini M (2015). Risposta sismica locale 1D e 2D per la microzonazione di 3 livello di alcune aree pilota dell'aquilano. NTC2008 Norme Tecniche per le Costruzioni. Decreto 14 gennaio 2008 del Ministero delle Infrastrutture. Supplemento Ordinario della G.U. n. 29 del Santangelo S. (2013). Local Seismic Responce 2D (LSR2D). Guida Operativa. Stacec srl. Santangelo S. (2013). Confronto tra i codici di calcolo QUAD4-M e LSR2D. Stacec srl. Salvatore S., Maggiore R., Pacini L. (2014). Modellazione numerica bidimensionale per la valutazione degli effetti di sito a supporto della progettazione di ristrutturazione e restauro della chiesa di San Giusto di Brancoli (LU). Tito Sanò, Antonio Pugliese. Le Analisi Numeriche per la Valutazione della Risposta Sismica Locale. SERM-SEismic Risk Management.

47 Effetti di sito nel sistema informativo della Regione Calabria (SISMI-CA) Si accede all interno del sistema informativo SISMI-CA alla sezione OPERA PROGETTUALE:

48 Effetti di sito nel sistema informativo della Regione Calabria (SISMI-CA)

49 Effetti di sito nel sistema informativo della Regione Calabria (SISMI-CA) Si individua una categoria topografica qualora non si fosse tenuto conto degli effetti topografici mediante un analisi specifica di RSL Bidimensionale.

50 Effetti di sito nel sistema informativo della Regione Calabria (SISMI-CA) SISMOSTRATIGRAFIA ANALISI RSL 1D / 2D

51 Effetti di sito nel sistema informativo della Regione Calabria (SISMI-CA) Si è definito l input sismico In termini di accelerogrammi mediante studio di disaggregazione con riferimento ai dati dell INGV. Componente verticale dell accelerazione. Rapporto di smorzamento viscoso di riferimento pari al 5% Tab. 3.2.VI NTC08

52 Modello 1D Modello 2D FA(T) Sa(T) [g] Modello 1D Modello 2D Input T [sec] T [sec]

53 GRAZIE PER L ATTENZIONE Mercoledì 21/06/2017, Webinar Ing. Salvatore Santangelo Analista presso Stacec , Bologna S. Santangelo, Risposta sismica locale 53