SISMICITA E RISCHIO SISMICO

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1 Corso di progetto di strutture in zona sismica Prof. Calvi SISMICITA E RISCHIO SISMICO Filippo DACARRO European Centre for Training and Research in Earthquake Engineering Università degli Studi di Pavia, Italy filippo.dacarro@eucentre.it

2 L esame N 2 Prove in itinere; Progetto edificio in c.a. Zona 1=accelerazione attesa a livello della fondazione superiore a 0,25g; Orale; Numero minimo di piani fuori terra=4+piano terra; Dimensione minima inscrivibile in un rettangolo 40x60; Il progetto dovrà essere consegnato prima dell orale; Al progetto sarà assegnato un peso 0,4 mentre 0,3 sarà assegnato agli scritti; Non sono ammessi gruppi di progettazione formati da più di 3 persone.

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6 Dynamics of Structures Anil K. Chopra

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8 COS È UN TERREMOTO? Improvviso rilascio di energia accumulata dalle rocce in profondità che, sottoposte alle azioni dei continui movimenti della crosta terrestre, si rompono lungo superfici di scorrimento chiamate faglie. Parte di tale energia è liberata sotto forma di onde sismiche, che provocano lo scuotimento del suolo in superficie. Circa 2 miliardi di persone vivono in aree a rischio sismico Le vittime dei terremoti dall inizio del secolo sono state: circa nel mondo circa in Italia

9 Il fenomeno fisico

10 TETTONICA DELLE PLACCHE Placche convergenti Placche divergenti Continente Le placche di litosfera poggiano su di uno strato viscoso (astenosfera). Il loro moto relativo è dovuto ad uno squilibrio termico interno alla Terra, che innesca moti convettivi nello strato corrispondente al mantello. Due teorie: 1) comportamento PASSIVO delle placche galleggianti sul mantello 2) Comportamento ATTIVO delle placche, che prendono direttamente parte al processo convettivo, subendo processi di riscaldamento e raffreddamento Da: Press and Siever, 1994 and USGS

11 MARGINI DELLE PLACCHE a) MARGINI DIVERGENTI: le placche A e B si allontanano, MARGINI CONVERGENTI: le placche B e C entrano in collisione (zone di subduzione, i terremoti hanno origine particolarmente in queste zone). b) MARGINI TRASFORMI: le placche A e B scorrono lateralmente fra di loro Da: Press and Siever (1994)

12 TIPI DI FAGLIE Faglia DIRETTA espansione Faglie TRASFORMI taglio Faglia INVERSA subduzione FAGLIA OBLIQUA Gli scorrimenti delle faglie reali sono rappresentabili mediante una combinazione (sovrapposizione) dei movimenti descritti Da: Press and Siever (1994)

13 ESEMPIO: LA FAGLIA DI SAN ANDREAS, CARRIZO PLANE, CALIFORNIA Il complesso di San Andreas è costituito da un insieme di faglie, anche se generalmente si parla di faglia trasforme. Esso rappresenta il limite di separazione fra la placca pacifica e quella nordamericana. In sintesi, mentre Los Angeles si muove in direzione delle isole Hawaii, la vicina Berkeley si muove insieme a New York sulla placca nordamericana. Tale zona è estremamente significativa da un punto di vista scientifico perché permette l osservazione diretta e lo studio sia dei meccanismi di faglia, sia dei frequenti eventi sismici associati Una caratteristica particolare è che, mentre tutto il complesso è contraddistinto da una elevata sismicità, la porzione centrale è una faglia inattiva

14 MECCANISMO DI GENESI DEI TERREMOTI Le faglie sono da ritenersi l origine, piuttosto che l effetto di un terremoto, da esse generato secondo il seguente schema: 1) Due blocchi crostali, separati da una superficie di faglia, si trovano nella posizione originaria indeformata. Lungo la superficie di faglia si ha un progressivo accumulo di sforzi. 2) Tale accumulo di sforzi provoca una deformazione elastica della zona interessata 3) Raggiunto il limite di rottura in un punto, si ha uno scorrimento dei due ammassi rocciosi lungo la superficie di faglia, con concomitante rilascio istantaneo di energia 4) I due ammassi rocciosi raggiungono ad una nuova condizione di equilibrio (configurazione indeformata, non più coincidente con la posizione originaria)

15 PROPAGAZIONE DELLE ONDE SISMICHE Ipocentro: punto in cui ha origine la scossa sismica o rilascio di energia Epicentro: intersezione della verticale all ipocentro con la crosta terrestre epicentro faglia ipocentro o fuoco Distanza focale: distanza di un punto della superficie dall ipocentro Distanza epicentrale: distanza di un punto della superficie dall epicentro Le onde sismiche si diffondono dall ipocentro in direzione radiale. Attraversando gli strati all interno della Terra, subiscono fenomeni di rifrazione e riflessione, esattamente come quando un raggio luminoso passa da un mezzo ad un altro con caratteristiche diverse

16 TIPI DI ONDE SISMICHE Onde di volume (si propagano in un mezzo continuo) Onde P ( primarie o longitudinali ): longitudinali alla direzione del moto, sono le più veloci (v ~ 5 7 km/s), producono i tipici boati, responsabili dei maremoti Onde S ( secondarie o trasversali ): perpendicolari alla direzione di vibrazione, non si propagano in acqua, v ~ 3 4 km/s Onde di superficie (si propagano in superficie, sono la principale causa dello scuotimento del suolo e dei danni ambientali, v = 3.5 km/s) Onde di Love: vibrano in un piano parallelo alla superficie terrestre, perpendicolarmente alla direzione dell onda Onde di Rayleigh vibrano in un piano perpendicolare alla superficie terrestre e inducono un movimento ellittico nelle particelle interessate

17 La misura del terremoto

18 STRUMENTI DI MISURA DEI TERREMOTI Sismoscopio di Chang: primo strumento per la misurazione dei terremoti, costruito in Cina nel 132 A.C. Le bocche dei draghi tengono delle palline tramite dei meccanismi a leva, connessi ad un pendolo interno. Si riteneva che la direzione dell epicentro fosse indicata dalla prima pallina che cadeva. Gli effetti sulle strutture in un sito non indicano la grandezza di un terremoto Per misurare le caratteristiche di un terremoto occorre disporre di una registrazione oggettiva strumentale dello scuotimento. Lo strumento impiegato è il sismografo/accelerometro strong motion. Questi strumenti registrano l accelerazione del terreno nel tempo Sismografo e tipi di pendoli per sismografi a lungo periodo per la misura degli spostamenti (pendolo orizzontale e pendolo inverso)

19 REGISTRAZIONE DEI TERREMOTI Onde P Onde S Onde L T SP = 1 V S 1 T V SP P 1 = V S 1 V P Accelerogramma: accelerazione in funzione del tempo). L intervallo T SP misura lo sfasamento tra le onde P e S e consente di ricavare la distanza della stazione di registrazione dall ipocentro del terremoto. La posizione assoluta dell ipocentro è determinata dall intersezione delle registrazioni di tre stazioni Componente N-S del terremoto di El Centro (California, 1940), in termini di accelerazione, velocità e spostamento

20 MISURA DELLA GRANDEZZA DEI TERREMOTI MAGNITUDO (scala Richter) Definita da Richter nel 1935 attraverso la misura dell ampiezza massima della traccia registrata dal sismografo, rapportata con una misura di riferimento standard. È indipendente dagli effetti che il terremoto provoca sull uomo e sulle costruzioni. Permette di confrontare eventi sismici avvenuti in diverse parti del Mondo ed in tempi diversi. E proporzionale alla lunghezza di faglia ed all energia rilasciata INTENSITA (scala di Mercalli) Scala empirica che misura gli effetti di un terremoto sull ambiente, sulle persone, sugli edifici. È una grandezza meno rappresentativa perchè dipendente dalle condizioni di misura, ma permette di classificare i terremoti del passato Correlazione appprossimata tra l intensità epicentrale (MCS) e la magnitudo di Richter scala Mercalli I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII non percepito percezione crescente, reazioni di paura, caduta di oggetti, senza danni danni lievi crolli e distruzione di una percentuale crescente di edifici storicamente mai raggiunto scala Richter

21 PARAMETRI DEL LIVELLO DI SCUOTIMENTO Magnitudo Più grande è la magnitudo, maggiore è l energia rilasciata Distanza Lo scuotimento si attenua con la distanza, a causa dell amplificazione delle dimensioni del fronte d onda e di dissipazioni energetiche Condizioni locali del suolo Amplificazione dovuta alle diverse caratteristiche degli strati di terreno dall ipocentro fino in superficie Approssimativamente, terremoti in grado di provocare vittime e seri danni agli edifici, possono essere caratterizzati da una magnitudo da 5.5 in su. M = 5 M = 6 M = 7 L incremento di una unità di magnitudo corrisponde a un incremento di energia rilasciata pari a circa trenta volte.

22 I PIÙ GRANDI TERREMOTI NEL MONDO TERREMOTI DEGLI ULTIMI 100 ANNI IN ORDINE DI MAGNITUDO Zona Anno Magnitudo 1 Cile Prince William Sound, Alaska Andreanof Islands, Alaska Al largo di Sumatra, Indonesia Kamchatka Al lrago della costa dell'ecuador Northern Sumatra, Indonesia Rat Islands, Alaska Assam - Tibet Ningxia-Gansu, China Kuril Islands Banda Sea, Indonesia TERREMOTI STORICI IN ORDINE DI PERDITE DI VITE UMANE Zona Anno Perdite umane 1 Regione dello Shansi, Cina Calcutta, India Antiochia, Siria Tientsin e Tangshan,Cina M= Tokyo, Giappone Tokyo e Yokohama M= Nan-chan, Cina M= Sud Est Asiatico M= Hokkaido Turkmeinstan, URSS Chihli, Cina Gansu, Cina M= Reggio Calabria e Messina, Italia M= 7.2

23 Gli effetti del terremoto in Italia Terremoto di Reggio Calabria e Messina, 1908 Terremoto del Friuli, 1976 Terremoto in Irpinia e Basilicata, 1980 Terremoto di Umbria e Marche, 1997 Terremoto del Molise, 2002 Terremoto dell Aquila, 2009

24 REGGIO CALABRIA E MESSINA, 1908 M = 7.2, VITTIME

25 Messina, 27 dicembre 1908

26 Messina, 29 dicembre 1908

27 FRIULI, 1976 M = 6.5, 922 VITTIME

28 IRPINIA E BASILICATA, 1980 M = 6.9, 2800 VITTIME

29 UMBRIA E MARCHE, 1997 M = VITTIME

30 MOLISE, 2002 M = VITTIME

31 ABRUZZO, 2009 M = VITTIME; SFOLLATI

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34 Abruzzo, 2009

35 Nel Mondo

36 Pakistan, 2005

37 Algeria, 2003

38 Turchia, 1999

39 Esempi di inadeguata risposta sismica delle strutture

40 COLLASSO PER PIANO DEBOLE

41 ESPULSIONE TAMPONATURE E PIANO DEBOLE CON COLLASSO VERTICALE

42 COLLASSO PER CARENZE IN FONDAZIONE

43 IRREGOLARITÀ IN PIANTA ED IN ELEVATO

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46 1) Si possono prevedere i terremoti? 2) Si può annullare (o almeno ridurre) l effetto distruttivo dei terremoti?

47 1) Si possono prevedere i terremoti? I tentativi di prevedere i terremoti risalgono agli albori dell umanità La storia della sismologia è ricca di personaggi che hanno rivendicato la scoperta di metodi per prevedere i terremoti: Aggarwal, Varotsos, Bakun, Kossobokov, e anche in Italia: Bendandi, Giuliani..

48 Addirittura negli anni 70 in California si era arrivati a formulare una teoria della prevsione : la teoria della dilatanzadiffusione: Sotto forte carico la roccia si dilata per l apertura di microfratture Le microfratture si riempiono d acqua e si propagano Ciò diminuisce la resistenza meccanica E porta alla rottura

49 La teoria è semiempirica e fonda tutta la sua credibilità sulla osservazione di fenomeni precursori A-INCLINAZIONE DEL TERRENO B-DIFFERENZIALE DI POTENZIALE ELETTRICO C-COMPORTAMENTI ANIMALI ANOMALI D-VARIAZIONI DELLA FALDA ACQUIFERA E-SCOSSE SISMICHE F-CONCENTRAZIONE DI Rd

50 Messa alla prova in innumerevoli casi questa teoria ha fatto fiasco, al pari di ogni altro metodo di previsione In un caso però, clamorosamente, sembrò funzionare: Haicheng, Cina, 1975: Un grande terremoto l unico in tutta la storia previsto con successo?

51 La previsione di Haicheng A metà dicembre 1974 si verifica uno sciame sismico nelle vicinanze di Liaoyang, circa 70 km a N di Haicheng. La scossa principale, M=4.8, fu avvertita in un area vasta, ma gli esperti tranquillizzarono la popolazione poiché questa era nota come regione a bassa sismicità. Inizia comunque l osservazione del comportamento degli animali e del livello dell acqua dei pozzi in tutta la regione Shenyang-Tantung-Dairen, ma non si trova nessun segnale chiaro. inizia anche l osservazione della inclinazione del terreno, della sua resistività elettrica, del livello del radon, ma anche questa senza alcun segnale chiaro. Uno violento sciame di scosse sismiche ad Haicheng inizia il 1 febbraio e raggiunge il picco la sera del 3 febbraio. 10 eventi ebbero M>3 e 2 ebbero M>4.

52 4 FEBBRAIO 1975: la scossa principale, M= 7.3 Dall analisi dei sismogrammi si ricavano i dati della faglia sorgente: non coincidono con nessuna faglia nota Bilancio dell evento: MORTI e FERITI, 90% DEGLI EDIFICI DISTRUTTI Se non fosse stata evacuata la città si stimano più di TRA MORTI E FERITI

53 UNA PREVISIONE AZZECCATA? NO! I DOCUMENTI MOSTRANO INEQUIVOCABILMENTE CHE NON CI FU ALCUNA PREVISIONE, NE ALCUN ORDINE DI EVACUAZIONE. SPAVENTATA DALLE SCOSSE, LA GENTE ABBANDONO SPONTANEAMENTE LA CITTA

54 L INCAPACITA DEGLI SCIENZIATI CINESI DI PREVEDERE I TERREMOTI CONFERMATA IL 28 LUGLIO 1976, DA TANGSHAN M=7.6 TANGSHAN, florida città industriale con 1 milione di abitanti NESSUN FENOMENO PRECURSORE, NESSUNO SCIAME, NESSUNA EVACUAZIONE: MORTI e FERITI

55 Quindi Haicheng è stato solo un caso eccezionalmente fortunato Un caso in cui il terremoto si è previsto da solo Una cosa analoga stava succedendo a L Aquila

56 In generale, però Ari Ben-Menahem, in A Concise History of Mainstream Seismology: Origins, Legacy, and Perspectives, BSSA 1995, p. 1216: `` April. Unpredicted earthquake of magnitude 6 in the heart of Europe, amidst hundreds of seismographs, computers, and professors of seismology. Just another reminder that even with all the accumulated seismological lore since the Lisbon earthquake (1755), we are still as surprised by earthquakes now as we were then."

57 In conclusione Non esiste evidenza scientifica della possibilità di prevedere un terremoto

58 Fenomeni fisici intrinsecamente imprevedibili Tutti quelli in cui la fisica di base è non-lineare. Non necessariamente devono essere complessi. Si pensi al lancio di un moneta: si può prevedere con certezza il risultato del prossimo lancio? I terremoti sono fratture e la fisica delle fratture è altamente non-lineare

59 2) Si può annullare (o almeno ridurre) l effetto distruttivo dei terremoti? Deve essere possibile giacché un terremoto poco più piccolo di quello dell Aquila (M=5.0 anziché M=5.8) nel centro di Los Angeles poco prima non ha prodotto il benché minimo danno.

60 Le dimensioni del problema A partire dal 1000 d.c fino ad oggi, almeno 200 terremoti hanno avuto effetti disastrosi in Italia

61 La distruzione dei terremoti L attenzione dei media è concentrata sulle vittime Ma la mortalità da terremoto è bassa

62 Poca cosa in confronto alle malattie o agli incidenti stradali

63 E marginale anche rispetto ad altre catastrofi naturali

64 I terremoti sono delle catastrofi soprattutto dal punto di vista economico: il costo del terremoto dell Aquila del 6 aprile 2009 è stimabile in almeno 100 miliardi di Euro. L Italia è un paese ad alto rischio sismico

65 Il Rischio Sismico Il Rischio Sismico è frutto della combinazione di tre elementi 1. La pericolosità 2. La vulnerabilità 3. L esposizione

66 L approccio di difesa dai terremoti seguito in Italia nell ultimo ventennio Si è basato su 1. Carta di pericolosità sismica. E più o meno la stessa da 40 anni. 2. Normativa antisismica rigorosa. Ma solo per i fabbricati di nuova costruzione, che sono il 10% del totale. 3. Ricerca geofisica di base. Purtroppo di nessuna utilità pratica

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68 L approccio seguito in Italia Sono mancate totalmente: 1. Una mappa dell amplificazione sismica 2. Una mappa della vulnerabilità sismica 3. Una mappa combinata della vulnerabilità e del valore esposto 4. Una normativa di intervento sul patrimonio edilizio esistente, che è oltre il 90% del totale

69 E un approccio che si è mostrato drammaticamente sbagliato

70 La mappa dell amplificazione sismica è ben più importante della mappa di pericolosità!

71 Distruzione totale a Onna Pochi cornicioni caduti a Monticchio Abruzzo, Aprile 2009

72 I due paesi sono a 1 chilometro di distanza l uno dall altro, esattamente all epicentro del terremoto dell Aquila e quindi con identica pericolosità, ed hanno identiche tipologie costruttive

73 L importanza fondamentale del valore esposto In Italia il patrimonio storico monumentale è un bene dell Umanità: E nostro dovere proteggerlo in modo adeguato. Anche perché per l Italia è fonte di una delle industrie più importanti: il turismo Durante il terremoto dell Umbria (1997) la Basilica di Assisi crollò sotto gli occhi del mondo.

74 Le aree in cui intervenire sono note

75 Come note sono le tecniche di costruzione antisismica Non serve ricercare tecniche esotiche: basta la classica controventatura La Torre dell Embarcadero di San Francisco, all epicentro del terremoto del 1906, M=7.9, subì solo danni modesti

76 Occorre solo pianificare le priorità di intervento Identificare le zone specifiche in cui è massima l amplificazione sismica Identificare i singoli edifici in cui la vulnerabilità sismica è alta Incrociare i dati di amplificazione con quelli di pericolosità, di vulnerabilità e di valore esposto Stabilire le priorità di intervento

77 Le valutazioni di amplificazione sismica e di vulnerabilità sono facili, rapide e poco costose Analisi modale passiva del terreno Tromografo digitale portatile Analisi modale passiva dell edificio (Torre degli Asinelli, Bologna)

78 In conclusione, Ridurre gli effetti distruttivi dei terremoti non solo è possibile: è prassi consolidata da quasi un secolo in tutti i paesi sismici con un economia a livello di G8. L Italia è allineata al 3 mondo a causa di scelte drammaticamente sbagliate Occorre cambiare rotta. Possibilmente prima della prossima catastrofe.