Metodi di analisi quantitativa della risposta sismica locale: livello 3 di "Indirizzi e Criteri per la microzonazione sismica 2008" Casi studio

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1 Metodi di analisi quantitativa della risposta sismica locale: livello 3 di "Indirizzi e Criteri per la microzonazione sismica 2008" Casi studio Floriana Pergalani Politecnico di Milano Dipartimento di Ingegneria Strutturale STUDI DI MICROZONAZIONE SISMICA: TEORIA E APPLICAZIONI Aosta, ottobre 2011

2 Effetti locali Sigla SCENARIO PERICOLOSITA SISMICA LOCALE EFFETTI Z1a Zona caratterizzata da movimenti franosi attivi Z1b Zona caratterizzata da movimenti franosi quiescenti Instabilità Zona potenzialmente franosa o esposta a rischio di Z1c frana Z2 Zone con terreni di fondazione particolarmente Cedimenti e/o scadenti (riporti poco addensati, terreni granulari fini liquefazioni con falda superficiale) Z3a Z3b Z4a Z4b Z4c Z4d Z5 Zona di ciglio H > 10 m (scarpata con parete subverticale, bordo di cava, nicchia di distacco, orlo di terrazzo fluviale o di natura antropica) Zona di cresta rocciosa e/o cocuzzolo: appuntite - arrotondate Zona di fondovalle con presenza di depositi alluvionali e/o fluvio-glaciali granulari e/o coesivi Zona pedemontana di falda di detrito, conoide alluvionale e conoide deltizio-lacustre Zona morenica con presenza di depositi granulari e/o coesivi (compresi le coltri loessiche) Zone con presenza di argille residuali e terre rosse di origine eluvio-colluviale Zona di contatto stratigrafico e/o tettonico tra litotipi con caratteristiche fisico-meccaniche molto diverse Amplificazioni topografiche Amplificazioni litologiche e geometriche Comportamenti differenziali

3 Effetti locali Effetti di sito o di amplificazione sismica Litologiche Morfologiche Terreni con comportamento STABILE nei riguardi del sisma Effetti di instabilità Movimenti franosi Cedimenti, densificazioni, liquefazioni Terreni con comportamento INSTABILE nei riguardi del sisma Effetti di sito di tipo areale estesi su tutta l area con modalità diverse Effetti di instabilità di tipo puntuale concentrati in piccoli areali

4 Effetti locali Comportamento non lineare descritto dall evoluzione dei parametri G e D al crescere di l = soglia elastica o di linearità ( %) v = soglia volumetrica ( %) a) Modello elastico lineare (se D 0 =0) o visco-elastico (D 0 ) b) Modello elastico lineare equivalente (coppie G-D) c) Modello non lineare elastoplastico con incrudimento (accoppiamento deformazioni distorsionali e volumetriche)

5 Effetti locali In funzione della scala di lavoro e dei risultati che si intende ottenere: Approccio qualitativo Livello 1 (ICMS) Approccio semiquantitativo Livello 2 (ICMS) Approccio quantitativo Livello 3 (ICMS)

6 Approccio quantitativo Due metodologie: Analisi numeriche Analisi sperimentali

7 Livello di approfondimento di zone suscettibili di amplificazioni o di instabilità, nei casi di situazioni geologiche e geotecniche complesse, non risolvibili con abachi o metodi semplificati Può modificare sostanzialmente le carte di microzonazione di livello 2 (es. Inversione di velocità) Indagini campagne di acquisizione dati sismometrici, sondaggi, prove in foro e in superficie per la determinazione di profili di Vs, sismica a rifrazione, prove geotecniche in situ e in laboratorio, microtremori, finalizzate alla definizione del modello del sottosuolo di riferimento Elaborazioni Definizione dell input sismico analisi numeriche 1D, 2D e 3D per le amplificazioni e/o analisi sperimentali Prodotti Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica carta delle indagini Livello 3 carta di microzonazione sismica con approfondimenti e relazione illustrativa

8 Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica Livello 3 Zone di deformazione permanente Zone stabili suscettibili di amplificazione caratterizzate da spettri di risposta in accelerazione al 5% dello smorzamento critico Zone stabili

9 Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica Fa SI SI ( PSVoutput ) PSVoutput (T, )dt ( PSVinput ) PSVinput(T, )dt PSV (m/s) Periodo (s)

10 Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica Psa (g) Applicando l accelerogramma di input ad oscillatori con n assegnato (convenzionalmente 0.05 o 5%) e T variabile e riportando il valore massimo di x, x o x si ottengono gli spettri in spostamento, in velocità e in accelerazione Oscillatore elementare ad 1 grado di libertà T (s) Costante elastica k Equazione del moto: x + x + x=-a(t) Coefficiente smorzamento b Massa m x=spostamento spettrale x =velocità spettrale x =accelerazione spettrale =b/2 m fattore di smorzamento =k/m pulsazione naturale oscillatore =2 f ove f frequenza propria

11 Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica SPETTRO DI FOURIER

12 Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica SPETTRO DI FOURIER Spettro di ampiezza A i Spettro di fase i Spettro di potenza A i 2

13 Analisi numerica Dati e strumenti necessari: Moto sismico di riferimento (input sismico) Stratigrafia del sottosuolo Proprietà meccaniche dei materiali Codici di calcolo

14 Analisi numerica MOTO SISMICO DI RIFERIMENTO 5 registrazioni (ITACA, 2006); Caratteristiche sismogenetiche della sorgente; Coppia magnitudo-distanza dalla sorgente (da dati di disaggregazione prodotti dal Gruppo di Lavoro, 2004); Massima accelerazione orizzontale attesa (Gruppo di Lavoro, 2004); Registrazioni effettuate su bedrock sismico (sottosuolo di categoria A, NTC). Le registrazioni scelte possono essere oggetto di scalatura, per ottenere un valore medio del picco di accelerazione scalato più vicino possibile al valore di a max atteso conformemente a quanto previsto dalle NTC.

15 Analisi numerica MOTO SISMICO DI RIFERIMENTO PNR_NS*2 NZZ_NS* NZZ_NS*0.9 TRT_NS*2 PNR_NS*2 NTC-Categoria di sottosuolo A NZZ_WE TRT_WE media Accelerazione (g) Accelerazione (g) Tempo (s) Tempo (s) NZZ_WE 0.10 TRT_NS*2 Sa (g) Accelerazione (g) Accelerazione (g) T(s) Tempo (s) Tempo (s) TRT_WE 0.05 Accelerazione (g) Tempo (s)

16 Analisi numerica CARATTERIZZAZIONE DELLE SITUAZIONI Costruzione delle sezioni da modellare Reperimento dei parametri geotecnici e geofisici necessari per la modellazione (velocità onde S, velocità onde P, modulo di taglio, coefficiente di Poisson, rapporto di smorzamento, densità, curve di decadimento)

17 Analisi numerica MODELLAZIONE Scelta dei programmi di calcolo (monodimensionali, bidimensionali, ecc.) Scelta dei parametri che definiscono l amplificazione (Pga, accelerogrammi, spettri di risposta, ecc.)

18 Analisi numerica PROGRAMMI DI CALCOLO MONODIMENSIONALI Shake: Desra - Onda: modello a strati continui paralleli dominio frequenze lineare equivalente sforzi totali modello a masse concentrate non lineare sforzi efficaci

19 Analisi numerica Modello a strati continui Modello a masse concentrate

20 Analisi numerica PROGRAMMI DI CALCOLO MONODIMENSIONALI Limiti: modello a volte troppo semplicistico per alcune situazioni reali Vantaggi: applicabilità su aree vaste (colonnine tipo) non necessita della conoscenza della geometria sepolta bidimensionale

21 Codice di calcolo SHAKE Algoritmo di calcolo più semplice per analisi di RSL frequentemente adottato nel settore tecnico-professionale Monodimensionale Strati continui paralleli SHAKE: A computer program for earthquake response analysis of horizontally layered sites Report n. EERC Dicembre 1972 (B. Schnabel J. Lysmer H. Bolton Seed Berkeley California) Compilato in FORTRAN IV (o FORTRAN 66) Miglioramenti nella struttura dei dati di input, maggiore elasticità e potenzialità di calcolo Introduzione di nuove relazioni G/G0 e D in funzione di SHAKE91: A computer program for conducting equivalent linear seismic response analyses of horizontally layered soils deposits 1992 (J. Idriss e J. I. Sun Davis California) Compilato in FORTRAN 90 Negli ultimi 15 anni sono state sviluppate numerose versioni che lavorano in ambiente Windows e che utilizzano l algoritmo SHAKE91 implementato in preprocessing e post-processing per fornire diverse applicazioni di utilizzo comune. Tra i più noti si ricordano: WSHAKE - PROSHAKE EERA SHAKEM e PSHAKE - SHAKE2000

22 Codice di calcolo SHAKE Capostipite dei programmi monodimensionali di analisi del comportamento sismico del terreno - adotta una serie di scelte di modellazione poi riprese in altri codici numerici Tipo Discretizzazione Modello terreno Analisi Implementazione non linearità Tipo di soluzione Dominio di analisi Tipo di frontiera basale : Monodimensionale : A strati continui : Visco-elastico lineare : Sforzi totali : Equivalente lineare : Funzione trasferimento : Frequenze : Assorbente - deformabile

23 Codice di calcolo SHAKE MONODIMENSIONALE (metodo della trave a taglio) Terreno soggetto solo ad oscillazione orizzontale e deformazioni di taglio puro trascurando le dimensioni trasversali CAMPO DI APPLICAZIONE Situazioni piano-parallele ad uno o più strati ipotizzando lateralmente omogenea la stratigrafia presente ai lati della verticale di analisi Esempio di situazioni riconducibili ad uno schema monodimensionale: aree centrali di estese valli alluvionali superficiali FENOMENI CONSIDERATI Amplificazione del moto sismico per effetto litologico: INTRAPPOLAMENTO di onde S all interno del deposito, favorito dal contrasto di impedenza fra terreno e bedrock sismico RISONANZA determinata dalla prossimità tra le frequenze del moto al bedrock sismico e quelle naturali di vibrazione del deposito

24 Codice di calcolo SHAKE MODELLO A STRATI CONTINUI Tiene in conto l eterogeneità verticale del terreno in considerazione del fatto che l ipotesi ad unico strato omogeneo equivalente (per cui esistono soluzioni analitiche in forma chiusa) sottostima notevolmente gli effetti di amplificazione del moto sismico MEZZO CONTINUO MULTISTRATO (ricostruito dal modello geologico geotecnico e geofisico) + ECCITAZIONE SISMICA (applicata verticalmente alla base ed espressa in storia temporale dell accelerazione) u (z,t) = spostamento orizzontale = densità = coefficiente di viscosità G = modulo di taglio z = coordinata locale (0 z h) h = spessore Soluzione per ciascun strato i dell equazione differenziale di equilibrio dinamico della propagazione delle onde

25 Codice di calcolo SHAKE FRONTIERA ASSORBENTE O DEFORMABILE Si introducono i parametri del substrato ( r V sr ) in modo da evitare l intrappolamento nel modello delle onde riflesse verso il basso Con la frontiera deformabile parte dell energia dell onda riflessa incidente sulla base viene assorbita (per smorzamento di radiazione) Viene definito il rapporto tra l impedenza sismica della roccia e quella del terreno sovrastante: I V r V s sr ss

26 Codice di calcolo SHAKE FUNZIONE DI TRASFERIMENTO In funzione delle condizioni al contorno imposte all interfaccia di ciascun strato: Condizione di continuità: lo spostamento e le tensioni tangenziali al tetto dello strato i sono uguali a quelli della base dello strato i+1 Condizione di superficie libera: al tetto dello strato più superficiale la tensione tangenziale è nulla (onda incidente e riflessa di pari ampiezza) H ik ( ) A k A i B B k i H ik ( ) Funzione di trasferimento tra due livelli i e k A ampiezza onde che si propagano verso l alto B ampiezza onde che si propagano verso il basso

27 Codice di calcolo SHAKE DOMINIO DELLE FREQUENZE OPERAZIONE DI CONVOLUZIONE (prodotto frequenza per frequenza) F s ( ) = H ( ) * F b ( ) F s ( ) Spettro di Fourier del moto in superficie H ( ) Funzione di trasferimento F b ( ) Spettro di Fourier del moto alla base Dallo spettro di Fourier, utilizzando la trasformata inversa di Fourier, si ottiene il moto alla superficie in termini di storia temporale dell accelerazione

28 Codice di calcolo SHAKE SCHEMA RIASSUNTIVO

29 Codice di calcolo SHAKE Parametri fondamentali necessari MODELLO Stratigrafia del sottosuolo, spessore di ciascun strato omogeneo di terreno e profondità del bedrock sismico (Vs>800 m/s) Densità di ciascun strato e del bedrock sismico Modulo di taglio elastico iniziale G 0 o valore della velocità delle onde S Rapporto di smorzamento iniziale D Curve di correlazione G- e D- cioè leggi di variazione del modulo di taglio e del rapporto di smorzamento con la deformazione tangenziale ECCITAZIONE SISMICA applicata verticalmente alla base ed espressa in storia temporale dell accelerazione

30 Analisi numerica PROGRAMMI DI CALCOLO BIDIMENSIONALI Flac: Quad - Flush: Besoil Elco: Else: Ahnse: differenze finite (DFM) varie leggi costitutive elementi finiti (FEM) modello a masse concentrate lineare equivalente dominio del tempo elementi di contorno (DEM) elastico dominio delle frequenze elementi spettrali (SM) elastico possibili versioni 3D metodo ibrido SM-FEM

31 Analisi numerica FEM BEM

32 Analisi numerica PROGRAMMI DI CALCOLO BIDIMENSIONALI Limiti: complessità nella costruzione del modello necessità di conoscenza delle caratteristiche geometriche sepolte (> indagini) Vantaggi: buona risposta possibilità di modellazione per casi particolari

33 Codice di calcolo QUAD4M Algoritmo di calcolo più complesso per analisi di RSL non frequentemente adottato nel settore tecnico-professionale Bidimensionale Elementi finiti QUAD4 - A computer program for evaluating the seismic response of soil structures by variable damping finite element procedures, UCB EERC Report No 73-16, 1973 (Idriss I.M., Lysmer J., Hwang R. & Seed H.B.) Compilato in FORTRAN IV (o FORTRAN 66) Miglioramenti nella struttura dei dati di input, maggiore elasticità e potenzialità di calcolo Introduzione di nuove relazioni G/G 0 e D in funzione di Implementazione della frontiera inferiore di tipo assorbente/deformabile, introducendo smorzatori viscosi QUAD4M, A computer program for evaluating the seismic response of soil structure by variable damping finite element procedures. Report of Dip. of Civil & Environmental Eng., University of California, Davis, 1993 (Hudson M.B., Idriss I.M., Beikae M. ) Compilato in FORTRAN V Negli ultimi anni sono state sviluppate altre versioni che lavorano in ambiente Windows e che utilizzano l algoritmo di QUAD4M. Tra i più noti si ricordano: Q4MESH, QUAKE/W

34 Codice di calcolo QUAD4M Capostipite dei programmi bidimensionali di analisi del comportamento sismico del terreno - adotta una serie di scelte di modellazione poi riprese in altri codici numerici Tipo Discretizzazione Modello terreno Analisi Implementazione non linearità Tipo di soluzione Dominio di analisi Tipo di frontiera basale : Bidimensionale : A masse concentrate : Visco-elastico lineare : Sforzi totali : Equivalente lineare : Derivazione numerica (u) : Tempo : Assorbente - deformabile

35 Codice di calcolo QUAD4M BIDIMENSIONALE Terreno discretizzato attraverso una FEM per cogliere le variazioni laterali geometriche e meccaniche CAMPO DI APPLICAZIONE Situazioni di bacini sedimentari ad uno o più strati Valli limitate lateralmente da affioramenti di bedrock sismico, per limitare l influenza degli effetti di bordo FENOMENI CONSIDERATI Amplificazione del moto sismico per effetto litologico: INTRAPPOLAMENTO di onde S all interno del deposito, favorito dal contrasto di impedenza fra terreno e bedrock sismico RISONANZA determinata dalla prossimità tra le frequenze del moto al bedrock sismico e quelle naturali di vibrazione del deposito GEOMETRIA rapporti geometrici complessi tra vari corpi sedimentari

36 Codice di calcolo QUAD4M MODELLO A MASSE CONCENTRATE Tiene in conto l eterogeneità verticale del terreno in considerazione del fatto che l ipotesi ad unico strato omogeneo equivalente (per cui esistono soluzioni analitiche in forma chiusa) sottostima notevolmente gli effetti di amplificazione del moto sismico MEZZO DISCRETO MULTISTRATO (ricostruito dal modello geologico geotecnico e geofisico) + ECCITAZIONE SISMICA (applicata verticalmente alla base ed espressa in storia temporale dell accelerazione) u (z,t) = spostamento orizzontale = densità = coefficiente di viscosità G = modulo di taglio h = spessore Matrici: M, C, K Soluzione per ciascuna massa m i dell equazione differenziale di equilibrio dinamico della propagazione delle onde; massa concentrata in corrispondenza dei nodi degli elementi

37 Codice di calcolo QUAD4M MODELLO VISCO-ELASTICO LINEARE (Kelvin - Voigt) Tiene conto dei fenomeni di dissipazione per smorzamento interno [M] (d 2 u/dt 2 ) + [C] (du/dt) + [K] (u) = (J) a(t) m 1 c 1 -c 1 k 1 -k 1 [M] = m2.. m n+1 [C] = -c 1 c 1 +c 2 -c 2.. -c n c n +c n+1 [K] = -k 1 k 1 +k 2 -k 2.. -k n k n (J) è il vettore delle sollecitazioni esterne a(t) La matrice C non è di facile soluzione, si utilizza il criterio di Rayleigh legandola alle matrici M e K Integrazione diretta per via numerica passo-passo dell equazione del moto

38 Codice di calcolo QUAD4M NON LINEARITA MATERIALI Tramite una serie di analisi elastiche lineari si riaggiornano i parametri G e D in funzione del livello di deformazione efficace ( eff ) raggiunto in ogni ciclo fino alla convergenza (tolleranze) eff = 0.65 max max è la sollecitazione massima raggiunta nei nodi della mesh durante l evento sismico Importanza delle curve G/ e D/

39 Codice di calcolo QUAD4M FRONTIERA ASSORBENTE O DEFORMABILE Si introducono i parametri del bedrock sismico ( r V sr - V pr ) in modo da evitare l intrappolamento nel modello delle onde riflesse verso la frontiera Con la frontiera deformabile parte dell energia dell onda riflessa incidente sulla base viene assorbita (per smorzamento di radiazione) attraverso l introduzione di uno smorzatore viscoso con coefficiente c n+1 pari all impedenza del bedrock sismico r V r

40 Codice di calcolo QUAD4M Parametri fondamentali necessari MODELLO Stratigrafia del sottosuolo, spessore di ciascun strato omogeneo di terreno e profondità del bedrock sismico (Vs>800 m/s) Discretizzazione in una mesh FEM Densità Coefficiente di Poisson ( ) Modulo di taglio elastico iniziale G 0 Valore della velocità delle onde S e P del bedrock sismico Rapporto di smorzamento iniziale D Curve di correlazione G- e D- cioè leggi di variazione del modulo di taglio e del rapporto di smorzamento con la deformazione tangenziale ECCITAZIONE SISMICA applicata verticalmente alla base ed espressa in storia temporale dell accelerazione REGOLA DI DISCRETIZZAZIONE h max = Vs / (6 8)f max L max = 10h max

41 Codice di calcolo ELCO Algoritmo di calcolo più complesso per analisi di RSL non frequentemente adottato nel settore tecnico-professionale Elementi di contorno ELCO, A program for two-dimensional analyses using boundary element method. Rapporto Tecnico, IRRS, Milano. Callerio A., Petrini V., Pergalani F., 2000 Compilato in FORTRAN VI

42 Codice di calcolo ELCO Programma bidimensionali di analisi del comportamento sismico del terreno - adotta una serie di scelte di modellazione Tipo Discretizzazione Modello terreno Analisi Tipo di soluzione Dominio di analisi : Bidimensionale : Elementi di contorno : Elastico : Sforzi totali : Funzioni di Green : Frequenze

43 Codice di calcolo ELCO BIDIMENSIONALE Terreno discretizzato attraverso un BEM per cogliere le variazioni laterali geometriche e morfologiche della superficie topografica CAMPO DI APPLICAZIONE Situazioni di creste o scarpate caratterizzate da affioramenti di bedrock sismico, quindi a comportamento elastico sotto sollecitazione sismica FENOMENI CONSIDERATI Amplificazione del moto sismico per effetto morfologico: FOCALIZZAZIONE delle onde sismiche che si genera solo quando la lunghezza dell onda incidente λ è comparabile con la semilarghezza L della base dell irregolarità

44 Codice di calcolo ELCO MODELLO A ELEMENTI DI CONTORNO L entità dei fenomeni di amplificazione in sommità è direttamente correlata al fattore di forma del rilievo (H/L), mentre lungo i fianchi l interazione tra onde incidenti ed onde diffratte produce variazioni in ampiezza e frequenza delle onde sismiche, generando fenomeni di amplificazione ed attenuazione MEZZO OMOGENEO (ricostruito dalla topografia) + ECCITAZIONE SISMICA (applicata alla base ed espressa in storia temporale dell accelerazione) = densità Vs = velocità delle onde S x, y = coordinate della superficie topografica La soluzione è la funzione di Green Il contorno viene discretizzato in segmenti rettilinei Considera una sola discontinuità rappresentata dall interfaccia mezzoaria e considera un mezzo omogeneo, continuo, elastico

45 Analisi numerica RISULTATI Accelerogrammi in superficie Spettri risposta elastici e di Fourier in superficie Fattori di amplificazione (Fa) Rapporti di intensità spettrale (SI) calcolati per gli spettri in pseudovelocità, 5% di smorzamento, per diversi intervalli di periodo (es: s) Fa = SI out / SI inp

46 Approccio quantitativo Due metodologie: Analisi numeriche Analisi sperimentali

47 Approccio quantitativo Acquisizione di dati strumentali attraverso campagne di registrazione eseguite in sito usando velocimetri o accelerometri Registrazioni di rumore di fondo (microtremore di origine naturale o artificiale) o eventi sismici di magnitudo variabile; i dati acquisiti elaborati permettono di definire la direzionalità del segnale sismico e la geometria della zona sismogenetica-sorgente I metodi di analisi strumentale più diffusi ed utilizzati sono il metodo HVSR di Nakamura (1989) e il metodo dei rapporti spettrali HHSR di Kanai e Tanaka (1961)

48 Approccio quantitativo METODO DI NAKAMURA - HVSR Componente verticale del moto non risente di effetti di amplificazione Al bedrock il rapporto tra la componente verticale e quella orizzontale è prossimo all unità Il rapporto tra la componente orizzontale e quella verticale fornisce un fattore di amplificazione e il periodo proprio dei depositi In generale è necessario effettuare la media di quanti più eventi possibile; in questo modo si può inoltre valutare l'effetto di più sorgenti di rumore tra loro combinate, superando il problema di una loro eventuale accentuata localizzazione

49 Approccio quantitativo METODO DI NAKAMURA HVSR Definendo come H S e V S gli spettri di Fourier delle componenti orizzontali e verticali del moto misurato in superficie, come H B e V B quelle misurate su bedrock e A S e A B la componente della sorgente locale si ottiene: R V = V S / V B = A S / A B R H = H S / H B = [A S S S ] / A B R H / R V = S S = [H S V B ] / [H B V S ] V B / H B = 1 S S = H S / V S

50 Approccio quantitativo METODO DEI RAPPORTI SPETTRALI - HHSR Basato su registrazioni accelerometriche, velocimetriche o di spostamento in corrispondenza di varie stazioni tra cui una considerata di riferimento (posta su bedrock) Il rapporto tra lo spettro di Fourier delle stazioni e lo spettro di Fourier del riferimento permette di calcolare le funzioni di trasferimento del deposito che, applicate al moto di input, forniscono il grado di amplificazione

51 Approccio quantitativo Il metodo si articola nelle seguenti fasi lettura degli arrivi primari delle onde S calcolo degli spettri di Fourier lisciamento degli spettri calcolo dei rapporti spettrali (FUNZIONE DI TRASFERIMENTO DEL SITO) ottenuti calcolando il rapporto per ogni frequenza tra lo spettro di ciascun sito e lo spettro del sito di riferimento

52 Approccio quantitativo HVSR Funzione ricevitore HHSR Funzione di trasferimento

53 Approccio quantitativo HVSR - HHSR Limiti: Risposta solo in campo elastico Difficoltà nella scelta del sito di riferimento (HHSR) Tempi di acquisizione sufficientemente lunghi Vantaggi: Semplicità ed economicità (HVSR) Determinazione periodo proprio deposito (HVSR) Determinazione funzione di trasferimento (HHSR)

54 Applicazione - Perugia OBIETTIVI Microzonazione sismica di livello 3 utilizzando sia analisi numeriche sia analisi sperimentali del centro urbano; Rendere disponibili strumenti operativi per la pianificazione urbanistica, per la pianificazione delle emergenze per la protezione civile e per la progettazione.

55 Applicazione - Perugia ENTI COINVOLTI Regione Umbria Comune di Perugia ENTI DI RICERCA INOGS di Trieste CNR-IDPA di Milano Politecnico di Milano Dipartimento Scienze della Terra di Pisa

56 Applicazione - Perugia FASI FONDAMENTALI DELLO STUDIO Rilevamento geologico di 4 sezioni (scala 1:10.000) Redazione di carte geologiche e di pericolosità sismica locale Raccolta dati geologici, geomorfologici, geofisici e geotecnici sia esistenti sia da indagini in sito e in laboratorio effettuate nell ambito del progetto Studio storico e d archivio sul danneggiamento da terremoti della città di Perugia Costruzione del modello geologico-geofisico ed individuazione delle sezioni rappresentative

57 Applicazione - Perugia FASI FONDAMENTALI DELLO STUDIO Individuazione dell input sismico Modellazione numerica 1D e 2D e determinazione dei fattori di amplificazione e degli spettri di risposta elastici in accelerazione Analisi strumentale in punti significativi e determinazione dei fattori di amplificazione e degli spettri di risposta elastici in accelerazione Confronti tra i risultati delle modellazioni numeriche e delle analisi sperimentali Prime proposte per un uso dei risultati sia in ambito pianificatorio sia in ambito progettuale

58 Applicazione - Perugia RACCOLTA DATI Indagini geologiche e geotecniche (800 sondaggi) Informazioni sul danneggiamento storico da terremoti (500 dati) Carte geografiche storiche realizzate a partire dal 1572 (156 mappe) Nuova campagna geognostica: 12 sondaggi a carotaggio continuo della profondità di 40 m ciascuno, con relativi down hole 11 prove SPT 11 stendimenti di sismica superficiale a rifrazione (138 m ognuna) con restituzione tomografica per onde SH e P 3 profili sismici con tecniche MASW e Remi prove di laboratorio statiche e dinamiche su 23 campioni indisturbati (proprietà fisiche, analisi granulometrica, prova edometrica, prova triassiale e colonna risonante)

59 Applicazione - Perugia Nuove campagne di indagini Sondaggi Sismica a rifrazione

60 Applicazione - Perugia

61 Applicazione - Perugia

62 Applicazione - Perugia

63 Applicazione - Perugia G/G unità geofisica sigla Vs (m/s) Vp (m/s) (kn/m 3 ) riporti R frane F unità eluvio-colluviale EC unità ghiaiosa alluvionale GA unità limosa alluvionale LA unità argillosa Pian di Massiano APM unità argillosa S. Sisto SS unità conglomeratica Tassello CT unità sabbiosa Monterone SM unità argillosa Monteluce AM unità conglomeratica Piscille CP unità torbiditica alterata TA unità Marnoso-Arenacea MA unità Schlier S unità Bisciaro B unità Scaglia Cinerea SC unità Scaglia Rossa SR S1C2 APM S6C2 SM S9C3 TA Rollins (1998) CP-CT-GA S5C2 SS-LA S8C2 AM S12C1 EC-F-R Sintema di Fighille (2001) AM D% Deformazione tangenziale (g%) Deformazione tangenziale (g%) S1C2 APM S6C2 SM S9C3 TA Rollins (1998) CP-CT-GA MODELLO GEOLOGICO GEOFISICO S5C2 SS-LA S8C2 AM S12C1 EC-F-R Sintema di Fighille (2001) AM

64 Applicazione - Perugia

65 Applicazione - Perugia SEZIONI GEOLOGICHE - GEOFISICHE EC 2 TA 3 CT R CT AM R 10 Centro Storico EC AM TA EC 16 GA APM TA Pian di Massiano 3 4 CT 5 EC TA 6 CT 7 EC AM F 8 Centro Storico 9 CT 10 R 11 SM CT TA EC CT TA 13 GA TA

66 Applicazione - Perugia INPUT SISMICO Come previsto dalle Norme Tecniche per le Costruzioni (D.M. 14/01/08): 5 accelerogrammi registrati su suolo di categoria A Compatibili con le caratteristiche sismogenetiche dell area Compatibili convalore di a max atteso (GdL, 2004) Compatibili con coppia magnitudo-distanza da analisi di disaggregazione Database ITACA Evento Data Ora Lat ( ) Long ( ) Profondità (km) Mw ML Regime tettonico VAL NERINA :35: Faglia normale GUBBIO :03: Faglia normale UMBRIA-MARCHE 1 SHOCK :33: Faglia normale UMBRIA-MARCHE 2 SHOCK :40: Faglia normale

67 Applicazione - Perugia Sigla Lat ( ) Long ( ) Distanza epicentrale (km) PSA (g) Evento Stazione Comp. Litologia CSC VAL NERINA Cascia W-E Roccia PTL GUBBIO Pietralunga N-S Roccia PTL GUBBIO Pietralunga W-E Roccia ASS ASS INPUT SISMICO UMBRIA-MARCHE 1 SHOCK UMBRIA-MARCHE 2 SHOCK VAL NERINA_CSC_W-E GUBBIO_PTL_N-S GUBBIO_PTL_W-E U-M 1 shock_ass_n-s U-M 2 shock_ass_w-e MEDIA Pga (g) Assisi N-S Roccia Assisi W-E Roccia NTC_Categoria A_Perugia Periodo (s)

68 Applicazione - Perugia VAL NERINA_CSC_WE 0.10 Accelerazione (g) Accelerazione (g) GUBBIO_PTL_NS Tempo (s) 0.20 GUBBIO_PTL_WE Accelerazione (g) INPUT SISMICO Tempo (s) Tempo (s) U-M 1 SHOCK_ASS_NS U-M 2 SHOCK_ASS_WE Accelerazione (g) Accelerazione (g) Tempo (s) Tempo (s)

69 Applicazione - Perugia VAL NERINA_CSC_WE Ampiezza (g*s) Frequenza (Hz) Ampiezza (g*s) GUBBIO_PTL_NS Ampiezza (g*s) GUBBIO_PTL_WE INPUT SISMICO Frequenza (Hz) Frequenza (Hz) U-M 1 SHOCK_ASS_NS U-M 2 SHOCK_ASS_WE Ampiezza (g*s) Ampiezza (g*s) Frequenza (Hz) Frequenza (Hz)

70 Applicazione - Perugia CODICI DI CALCOLO In relazione alle caratteristiche geologiche, geotecniche e geofisiche dell area in esame, che presentano un andamento degli strati più superficiali assimilabili a strati piano-paralleli, è stato scelto di utilizzare principalmente un codice di calcolo monodimensionale 1D Lungo la sezione n. 2 sono state individuate due morfologie bidimensionali, che sono state oggetto di analisi 2D: una valle (Pian di Massiano) - FEM un rilievo (centro storico Perugia) - BEM

71 Applicazione - Perugia RISULTATI Nei punti di indagine, riportati nelle sezioni, scelti in modo da avere una rappresentatività dei profili caratterizzati da diverse sequenze di unità geofisiche e diversi spessori. I risultati sono stati espressi in termini: Fattori di amplificazione Fa ( s; s; s) Spettri di risposta elastici in accelerazione al 5% dello smorzamento critico

72 Applicazione - Perugia RISULTATI I risultati delle analisi in termini di fattore di amplificazione mostrano in generale modesti valori di amplificazione se si escludono le aree caratterizzate dalla presenza di riporti (R), coltri eluvio-colluviali (EC) e unità limose e ghiaiose alluvionali (LA e GA) con spessori maggiori di 5 m fa fa fa fa fa fa Fa Fa Profili analizzati Profili analizzati

73 Applicazione - Perugia RISULTATI Gli spettri di risposta elastici in accelerazione mostrano modesti livelli di amplificazione, ben rappresentati dagli spettri di normativa associati alle relative categorie di sottosuolo, ad esclusione dei casi sopra citati. Si riportano i risultati nei punti 2 e 10 della sezione n. 1, che mostrano rispettivamente un caso di adeguatezza e un caso di non adeguatezza della norma 1.40 VAL NERINA_CSC_W-E 1.40 VAL NERINA_CSC_W-E 1.20 GUBBIO_PTL_N-S GUBBIO_PTL-_W-E 1.20 GUBBIO_PTL_N-S GUBBIO_PTL-_W-E 1.00 U-M 1 SHOCK_ASS_N-S U-M 2 SHOCK_ASS_W-E 1.00 U-M 1 SHOCK_ASS_N-S U-M 2 SHOCK_ASS_W-E PSA (g) MEDIA NTC_Categoria B_Perugia PSA (g) MEDIA NTC_Categoria C_Perugia Periodo (s) Periodo (s)

74 Applicazione - Perugia RISULTATI L analisi 2D effettuata sul rilievo del centro storico non ha evidenziato sostanziali effetti di amplificazione topografica: è mostrato il confronto tra gli spettri di risposta medi ottenuti in corrispondenza del punto sommitale del rilievo (punto 6 sezione 2) dalle analisi 1D e 2D Media_1D Media_2D NTC_Categoria B_Perugia PSA (g) Periodo (s)

75 Applicazione - Perugia RISULTATI L analisi 2D condotta in corrispondenza del Pian di Massiano ha evidenziato valori di amplificazione molto simili a quelli ottenuti dalle analisi 1D, mostrando una scarsa influenza delle geometrie sepolte sull amplificazione: è mostrato il confronto tra gli spettri di risposta medi ottenuti in corrispondenza del punto 2 sezione 2 dalle analisi 1D e 2D Media_1D Media_2D NTC_Categoria C_Perugia PSA (g) Periodo (s)

76 Applicazione - Perugia Metodo dei rapporti spettrali ANALISI SPERIMENTALI 28 siti di cui 2 di riferimento su substrato rigido Sensori a 3 componenti Lennartz Le-3Dlite Registrazioni per 9 mesi 2100 eventi, Ml = , D = Km METODOLOGIA: Calcolo rapporti spettrali Funzione di amplificazione Calcolo di Fa e spettri di risposta ai siti utilizzando input sismici della modellazione numerica

77 Applicazione - Perugia UBICAZIONE SITI REGISTRAZIONI

78 Applicazione - Perugia RAPPORTI SPETTRALI

79 Applicazione - Perugia RISULTATI

80 Applicazione - Perugia CONFRONTO RISULTATI I risultati ottenuti dalle analisi numeriche stati confrontati con quelli ottenuti dalla campagna strumentale: sono in generale tra loro concordi sia in termini di Fa sia in termini di spettri di risposta come mostrato nei due esempi punto 10 sezione n. 1 con presenza di riporto con spessore maggiore di 5 m, punto 2 sezione n. 1 con presenza di coltri eluvio-colluviali con spessore inferiore a 5 m NUMERICA STRUMENTALE INPUT NUMERICA STRUMENTALE INPUT PSA (g) PSA (g) Periodo (s) Periodo (s)

81 Applicazione - Perugia UTILIZZO DEI RISULTATI Considerando la robustezza dei risultati ottenuti si può prevedere: per i valori di Fa un utilizzo in fase di pianificazione per definire una graduatoria di pericolosità delle aree, previa estrapolazione geologica e geofisica e relativa redazione di opportune carte per gli spettri di risposta elastici un utilizzo diretto in fase di progettazione oppure un utilizzo indiretto per l ottimizzazione della scelta dello spettro di norma che meglio rappresenta la situazione analizzata

82 Applicazione - Perugia UTILIZZO DEI RISULTATI

83 Applicazione - Perugia UTILIZZO DEI RISULTATI PSA (g) P1 P3 P5-P6 P9 P12 P14 P16 P2 P4 P8 P11 P13 P15 NTC_Categoria B_Perugia Periodo (s) PSA (g) P7 P10 NTC_Categoria C_Perugia Periodo (s)