Il comportamento delle strutture sotto l azione del sisma

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1 Il comportamento delle strutture sotto l azione del sisma In caso di evento sismico, il danneggiamento che una struttura può subire è strettamente correlato all intensità e durata dell evento, alla distanza dalla zona epicentrale, alle sue caratteristiche geometriche, strutturali e di vetustà, ma anche (in alcuni casi principalmente) alle condizioni geologiche e geotecniche dei terreni su cui le stesse strutture sono fondate, per la capacità di smorzare o amplificare l intensità del fenomeno. Nella valutazione di agibilità nell emergenza sismica, la conoscenza delle implicazioni dovute al comportamento dei terreni di fondazione riveste un ruolo determinante per la definizione del rischio residuale ma anche per la definizione dei successivi interventi di messa in sicurezza e/o ripristino.

2 Il comportamento delle strutture sotto l azione del sisma Le condizioni geologiche e geotecniche di un sito rimangono inalterate nel tempo, ma i parametri caratteristici di un terreno a seguito di un sisma di determinata intensità possono variare anche sensibilmente ed influenzare il comportamento delle strutture sovrastanti in caso di successivi eventi. Nella gestione dell agibilità post-sisma è importante, quindi, considerare sia quale contributo di resistenza una struttura è ancora in grado di mettere in gioco a seguito di scosse successive, sia come e se le condizioni geologiche e geotecniche al contorno siano in grado di condizionare il comportamento dei manufatti per eventi successivi. 47

3 Il comportamento delle strutture sotto l azione del sisma Generalmente gli effetti del terremoto diminuiscono allontanandosi dall area epicentrale, tuttavia, in presenza di particolari condizioni geologiche e morfologiche si possono avere fenomeni di amplificazione. La variazione di intensità macrosismica può essere definita mediante una relazione di attenuazione della PGA (Peak Ground Acceleration, accelerazione di picco al suolo) funzione della magnitudo M e della distanza del sito in esame dalla sorgente sismica; Tra le relazioni di attenuazione usate più frequentemente in Italia, c è quella di Sabetta-Pugliese: Dove amax è la PGA, M è la magnitudo, r è la distanza dalla sorgente sismica, S1 è funzione del suolo (S1 = 0 per siti su roccia o depositi alluvionale con spessore maggiore di 20 m, S1 = 1 per siti su depositi alluvionali superficiali con spessore minore di 20 m) e P è la densità di probabilità.

4 Attenuazione dell intensità macrosismica

5 AMPLIFICAZIONI LOCALI

6 Azioni del sisma sui terreni Effetti di sito Fenomeni che influiscono localmente sulla pericolosità sismica, anche entro brevi distanze, correlati alle caratteristiche geologiche e geotecniche del sito. Producono fenomeni di dissesto e/o determinano amplificazioni o riduzioni dello scuotimento sismico

7 POSSIBILI EFFETTI LOCALI

8 Azioni del sisma sui terreni La risposta sismica locale L azione sismica che si manifesta in una determinata posizione alla superficie del terreno è l effetto di un fenomeno che si può schematizzare in tre fasi: 1. Generazione del terremoto in profondità 2. Trasmissione delle onde dall epicentro al sito 3. Trasmissione da una formazione rocciosa di base (bedrock) alla superficie attraverso gli strati di terreni sciolti che ricoprono il bedrock Da Risposta Sismica Locale(Lanzo e Silvestri, 1998)

9 Azioni del sisma sui terreni La risposta sismica locale Da Risposta Sismica Locale (Lanzo e Silvestri, 1998). Leggermente modificata

10 POSSIBILI EFFETTI LOCALI Da Crespellani T., 1998 mod.

11 Azioni del sisma sui terreni La risposta sismica locale Risposta sismica locale (o, meno propriamente, amplificazione locale): insieme delle modifiche in ampiezza, durata e contenuto in frequenza che il moto sismico subisce attraversando gli strati di terreni sciolti sovrastanti la formazione rocciosa. Una valutazione della risposta sismica locale si può effettuare confrontando le grandezze rappresentative del moto sismico alla superficie dei terreni sciolti e in corrispondenza della formazione rocciosa. Il segnale sismico può essere analizzato sia come sequenza di accelerazioni, velocità, spostamenti(dominio del tempo), sia come sovrapposizione di segnali sinusoidali (dominio delle frequenze, analisi di Fourier) Dominio del tempo: fattore di amplificazione = rapporto fra accelerazione massima alla superficie del terreno ed al bedrock Dominio delle frequenze: funzione di trasferimento H(f) = rapporto tra lo spettro di Fourier del moto alla superficie del terreno ed al bedrock

12 risposta sismica locale Da un punto di vista monodimensionale, l onda sismica al passaggio dalla roccia (in marrone) alla copertura sismica (alluvioni e/o depositi lacustri in azzurro) tende a rallentare poiché diminuiscono le velocità di propagazione nei due mezzi, con conseguente aumento in ampiezza, sulla base del principio di conservazione della quantità di moto

13 Effetti locali effetti di sito amplificazione nei depositi effetti topografici effetti di instabilità rotture di faglia movimenti franosi liquefazione cedimenti N.B. Gli effetti di instabilità sono in genere una conseguenza degli effetti di sito e si verificano quando le azioni sismiche superano la resistenza al taglio del terreno

14 POSSIBILI EFFETTI LOCALI Da Crespellani T., 1998 mod.

15 Azioni del sisma sui terreni Effetti di valli alluvionali Le onde sismiche in aree prossime al bordo della valle sono focalizzate a seguito dell interferenza costruttiva fra il campo d onda riflesso e quello rifratto L incidenza delle onde sismiche in corrispondenza dell interfaccia non orizzontale al bordo della valle determina la generazione di onde di superficie che confinate all interno della valle e sono soggette a riflessioni multiple Da Risposta Sismica Locale (Lanzo e Silvestri, 1998) Stazione suroccia S01 S02 S03 S04 S05 S06 S07 S08 S09 Frequenza(Hz) Fattori di amplificazione nella Valle dell Aterno con sorgente attiva a percussione

16 Risposta sismica locale uno storico caso di studio (da Lanzo e Silvestri, 1998)

17 Azioni del sima sui terreni Gli effetti topografici - Il fenomeno d amplificazione del moto è determinato dalla focalizzazione delle onde sismiche in prossimità della cresta del rilievo. - In corrispondenza della cresta del rilievo si verifica un amplificazione a larga banda; lungo i fianchi e alla base del versante la risposta è più complessa, perché caratterizzata da un alternarsi di amplificazioni e deamplificazioni. H/L = 0.4 f = 2L/λ Da Risposta Sismica Locale(Lanzo e Silvestri, 1998). Leggermente modificata 62

18 Azioni del sisma sui terreni I fenomeni di amplificazione locale In questa cartina schematica sono riportate le più importanti condizioni in grado di provocare fenomeni di amplificazione locale.

19 Azioni del sima sui terreni Amplificazione sismica Frane sismoindotte Fagliazione Liquefazione dei terreni Addensamento dei terreni

20 Azioni del sima sui terreni Le frane sismoindotte DEFINIZIONE: Distacco e scivoalmento di terreno o roccia lungo un pendio causato da un sisma. Possono essere: 1.Di nuova attivazione (Interessano versanti stabili) 2. Riattivazioni (rimettono in moto frane quiescienti) Si possono verificare in concomitanza dell evento oppure con un certo ritardo Sono del tutto uguali nella loro morfologia e nei loro processi interni alle analoghe frane che si generano in condizioni non-sismiche

21 Azioni del sima sui terreni Le frane sismoindotte Caratteristiche del fenomeno La frana si innesca quando l accelerazione impressa al pendio supera il valore di accelerazione critica (a c) ) oltre il quale viene indotto il movimento Il sisma può alterare le condizioni di stabilità di un pendio, potendo agire sia sulle forze di taglio agenti sul pendio, sia riducendo la resistenza al taglio dei terreni Nota: Fattore di sicurezza: F s =A/R A=forze agenti; R=forze resistenti

22 Azioni del sima sui terreni Le frane sismoindotte Fattori determinanti Magnitudo del terremoto Geologia Durata dell evento Caratteristiche del sisma Profondità dell ipocentro Morfologia

23 Azioni del sima sui terreni Le frane sismoindotte Assetto strutturale Morfologia del pendio Fattori che regolano il comportamento di un pendio durante il sisma: Stato tensionale dei terreni Proprietà caratteristiche del sisma Grado di saturazione Proprietà fisiche e meccaniche dei terreni ampiezza, frequenza, durata, forma e regolarità delle vibrazioni, numero delle componenti simultanee del sisma, direzione delle onde incidenti granulometria, densità, grado di saturazione, permeabilità, gradi di sovraconsolidazione, resistenza statica e dinamica di picco e residua, coefficiente di smorzamento, proprietà elastiche del bedrock

24 Le frane sismoindotte El Salvador, 2001

25 Azioni del sima sui terreni Le frane sismoindotte (e non) Esempi 1 Terremoto de L Aquila, 2009 Abruzzo - ITALIA Frana di Longi, 2010 Sicilia- ITALIA

26 Azioni del sima sui terreni Le frane sismoindotte (e non) Esempi 2 Terremoto di Northridge 1994, California -USA Frana di Maierato, 2010 Calabria - ITALIA

27 FRANE SISMOINDOTTE

28 Azioni del sima sui terreni Liquefazione Fenomeno di perdita di resistenza da parte di terreni saturi sotto sollecitazioni di taglio impresse da un terremoto, in conseguenza delle quali, il terreno raggiunge una condizione di fluidità pari a quella di un liquido viscoso La pressione dell acqua nei pori aumenta progressivamente fino ad eguagliare la pressione totale di confinamento e gli sforzi efficaci, da cui dipende la resistenza al taglio, si riducono a zero Effetti Compattazione volumetrica ritardata Espulsione violenta dell acqua dallo scheletro solido ( vulcanelli di fango ) Tipo di terreno Terreni siltosi e sabbiosi recenti Terreni saturi d acqua Falda freatica superficiale (profondità < 10 m) Addensamento Fenomeno di addensamento di un terreno granulare asciutto per effetto delle vibrazioni indotte da un terremoto Tipo di terreno Terreni granulari asciutti Effetti Compattazione volumetrica immediata Miglioramento delle caratteristiche dinamiche del terreno (aumento del modulo di taglio e diminuzione del coefficiente di smorzamento) e abbassamento del livello della superficie del deposito (cedimenti)

29 Il terreno è un sistema multifase (cioè solido + acqua + aria), il cui comportamento conserva la memoria di ciò che è accaduto durante la vita del terreno stesso. L applicazione di un carico esterno si trasferisce parte sulla matrice solida e parte sull acqua, la quale potrà filtrare a seconda della permeabilità del suolo. Se il drenaggio è impedito, l acqua tenderà, con la propria pressione, ad allontanare fra loro le particelle solide, che perderanno il mutuo incastro, riducendo così la resistenza allo scorrimento del terreno.

30 Azioni del sima sui terreni Liquefazione Conseguenze della liquefazione Cedimenti del terreno Espansione laterale Cedimento di flusso Perdita di forza portante

31 Si distinguono tre tipi di interventi da effettuare qualora, nella riabilitazione sismica di una struttura, sia da considerare anche il fenomeno della liquefazione: irrigidimento struttura (schema a); RIDUZIONE DEL RISCHIO DI LIQUEFAZIONE Irrigidimento fondazioni mediante realizzazione di platea, di travi rovesce o di pali (schemi b-c); miglioramento caratteristiche del sito (schema d). Le tecniche di intervento sulla struttura e sulle fondazioni, possono considerarsi di tipo indiretto, in quanto non riducono l entità del fenomeno cosismico ma puntano a limitare le conseguenze degli stessi sulla struttura. L irrigidimento, in sostanza, ha lo scopo di assorbire le ulteriori sollecitazioni provocate da eventuali cedimenti differenziali. Le tecniche di miglioramento del sito sono invece da considerare interventi di tipo diretto in quanto, agendo sul terreno, riducono l entità del fenomeno fino ad annullare gli spostamenti permanenti conseguenti. In tale categoria vanno considerati interventi di grouting, drenaggio e prosciugamento permanente. Grouting (jet-): iniezione di miscele cementizie nel terreno, mediante getti ad altissima pressione ( atm) eseguiti attraverso ugelli posti in testa ad aste di perforazione.

32 Azioni del sima sui terreni Liquefazione Vulcanelli di fango Terremoto di Northridge 1994, California - USA Esempi 1

33 Azioni del sima sui terreni Liquefazione Vulcanelli di fango Terremoto di Niigata 1964, Giappone Esempi 2

34 Azioni del sima sui terreni Liquefazione Esempi 3 Terremoto di Niigata 1964, Giappone

35 Azioni del sima sui terreni Cedimenti I carichi trasmessi da una struttura determinano delle deformazioni sul terreno sottostante con conseguente cedimento del piano di posa della fondazione Il cedimento del terreno può essere: Il cedimento del terreno può essere: Immediato o a lungo termine Rigido o differenziale

36 Azioni del sima sui terreni Cedimenti Esempi 1 Terremoto di Izmit 1999, Turchia

39 Azioni del sima sui terreni Deformazioni indotte Fratture del terreno Terremoto di Kobe 1995, Giappone

40 Azioni del sima sui terreni Sollevamenti e/o abbassamenti del suolo Terremoto di Izmit 1999, Turchia Terremoto di Isla Mocha 1960, Cile

41 Azioni del sima sui terreni Effetti di superficie delle faglie Faglia: frattura del terreno per cause endogene con evidenza di movimento relativo tra I due blocchi Faglia trascorrente Faglia diretta Faglia inversa

42 Azioni del sima sui terreni Effetti di superficie delle faglie Per l elevata velocità con la quale la rottura si propaga in superficie, qualunque manufatto ubicato attraverso il piano di faglia è soggetto a taglio e/o a deformazione permanente. Strade, ferrovie, canali, tubature (acquedotti, gasdotti, fogne), edifici in muratura, sono sempre dislocati anche da piccole faglie, mentre edifici intelaiati in cemento armato sono soggetti in genere a taglio solo per rigetti ultradecimetrici. In caso di fagliazione inversa gli edifici intelaiati in cemento armato possono essere basculati e/o rovesciati dall azione di innalzamento senza subire fenomeni di taglio nelle fondazioni. Terremoto di Fukui 1948, Giappone,

43 Azioni del sima sui terreni Effetti di superficie delle faglie Per fagliazione di superficie si intende la dislocazione istantanea (cosismica) verticale e/o orizzontale dei terreni di fondazione lungo uno o più piani di taglio. Tale dislocazione deve essere riconducibile a un intervallo temporale relativo agli ultimi anni, periodo per il quale una faglia può essere considerata verosimilmente attiva in Italia. L entità della fagliazione di superficie è proporzionale alle dimensioni della faglia e all entità della sua rottura. Piccole faglie generano piccoli terremoti e la loro rottura non raggiunge la superficie. In Italia si è osservato che il limite al di sopra del quale la rottura può raggiungere la superficie corrisponde a una Mw ~ 5.6, caso relativo a un ipocentro superficiale (~5 km); in zona vulcanica il limite si abbassa sino a Mw = 3.0). Al limite inferiore di occorrenza la dislocazione in superficie è sempre discontinua, con rigetti variabili da 0 a 20 cm, lungo distanze variabili da poche centinaia di metri a 4-5 km. Al crescere delle dimensioni della faglia (e della magnitudo associata) si possono raggiungere rigetti superficiali superiori a 1 m, su lunghezze di km (es. per Mw = 7).

44 Azioni del sima sui terreni Effetti di superficie delle faglie

45 Azioni del sima sui terreni Effetti di superficie delle faglie Terremoto di Izmit 1999, Turchia

46 Azioni del sima sui terreni Effetti di superficie delle faglie

47 Tsunami: è un anomalo moto ondoso del mare, originato da un terremoto o da altri eventi che comportino uno spostamento improvviso di una grande massa d'acqua (frane, eruzioni vulcaniche sottomarine, un impatto meteorico) da WIKIMEDIA COMMONS Indonesia Tsunami 2004

48 MAREMOTI I terremoti che si generano sui fondali marini, sono la causa più frequente dei maremoti o tsunami. Essi sono dovuti all improvviso movimento di una faglia o di una conseguente grossa frana sottomarina. Tale movimento genera un onda che, avvicinandosi alla costa, in corrispondenza dei fondali meno profondi, aumenta rapidamente in altezza. In base ai filmati di recenti tsunami, sappiamo che spesso non si tratta in genere di un alta onda che si abbatte improvvisamente sulla costa, ma di una grande onda di marea che aumenta di altezza in pochi minuti di diversi metri e che travolge ogni cosa al suo passaggio espandendosi per centinaia di metri o di qualche chilometro all interno delle zone più basse della costa. In Italia, si ricordano i maremoti avvenuti in seguito all evento di Reggio e Messina del 1908 e quello di Stromboli del 2002.

49 Tsunami Hokkaido (Japan), 1993

50 Tsunami Fukushima (Japan), 2011

51 MAREMOTI Pucket, Thailandia 26/12/04 M=9.0 più di vittime. Galle, Sri Lanka 26/12/04 M=9.0 Giappone 2011, baia di Sendai M=8.9) Stromboli 30/12/02 crollo in mare di un costone della Sciara del Fuoco. L onda anomala generata dal crollo, fa tutto il giro dell isola. L onda spazza ogni cosa al suo passaggio lungo la riva per fortuna senza vittime.