La Definizione dell Input Sismico per gli Scenari di Danno e per la Progettazione

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1 La Definizione dell Input Sismico per gli Scenari di Danno e per la Progettazione ALCUNE RECENTI ESPERIENZE NELLA DEFINIZIONE DI ACCELEROGRAMMI REALI SPETTRO-COMPATIBILI Relatore: Dr. Carlo G. Lai (EUCENTRE) Coautori: Dr. C. Strobbia, Ing. A. Dall Ara, Ing. A. Menon

2 Sommario Software utilizzato per la definizione dell input sismico Terremoto di progetto in Garfagnana/Lunigiana (Toscana) Input sismico al sito archeologico di Jam (Afghanistan) Studio in corso per la valutazione delle differenze nella risposta sismica utilizzando accelerogrammi reali e artificiali 2/35

3 Software utilizzato definizione input sismico Codici di calcolo utilizzati per la valutazione probabilistica della pericolosità sismica: SEISRISK III (Bender & Perkins, 1987) CRISIS 2003 (Ordaz, 2003) EZ-FRISK V (McGuire, 2005) Software sviluppato internamente 3/35

4 Input sismico in Garfagnana e Lunigiana (Toscana) MACROZONAZIONE: Analisi di pericolosità sismica regionale Map of PGA s (g) for the territories of Lunigiana and Garfagnana (Tuscany) with 0.10 probability of being exceeded in 50 years (RP 475 years) Ground motion parameters are referred to outcropping base rock (stiff soil conditions) (da Dall Ara et al., 2006) 4/35

5 Input sismico in Garfagnana e Lunigiana (Toscana) Fivizzano Curve di pericolosità sismica al sito di Fivizzano (Lucca) (da Dall Ara et al., 2006) 5/35

6 Input sismico in Garfagnana e Lunigiana (Toscana) Superficie di pericolosità sismica al sito di Fivizzano (Lucca) (da Dall Ara et al., 2006) 6/35

7 Input sismico in Garfagnana e Lunigiana (Toscana) Fivizzano Spettro di risposta probabilistico al sito di Fivizzano (Lucca) (da Dall Ara et al., 2006) 7/35

8 Input sismico in Garfagnana e Lunigiana (Toscana) STORIE TEMPORALI DEL MOTO: TIPOLOGIE DI ACCELEROGRAMMI accelerogrammi ARTIFICIALI generati mediante algoritmi di tipo puramente stocastico con il vincolo di essere spettro-compatibili ad uno spettro di risposta obiettivo (es. SIMQKE); accelerogrammi ARTIFICIALI generati mediante approcci di tipo stocastico ma compatibili con alcuni vincoli sismogenetici come ad esempio magnitudo e distanza epicentrale (es. approcci Sabetta, Boore); accelerogrammi SINTETICI generati mediante modelli matematici della sorgente sismica e del fenomeno propagatorio (es. approccio Hisada e Bielak, Papageorgiou, Zollo, etc.); accelerogrammi NATURALI selezionati da banche dati di registrazioni relative a terremoti naturali come per esempio ESD, PEER, COSMOS, etc. accelerogrammi ARTIFICIALI generati mediante procedure IBRIDE ottenuti a partire da registrazioni reali opportunamente modificate al fine di soddisfare la spettro-compatibilità con uno spettro di risposta obiettivo per esempio quello isoprobabile (es. RASCAL, RSPMATCH). 8/35

9 Input sismico in Garfagnana e Lunigiana (Toscana) SCELTA TIPOLOGIA DEGLI ACCELEROGRAMMI Gli accelerogrammi REALI sono preferibili rispetto a quelli ARTIFICIALI in quanto rappresentano in modo più realistico le caratteristiche dello scuotimento per quanto riguarda: contenuto energetico e in frequenza (numero di cicli) durata in relazione ai parametri sismogenetici di scenario giusta correlazione temporale tra le componenti del moto H e V corrispondenza tra le fasi e non solo sulle ampiezze (spettrogrammi) corrispondenza con gli scenari (sismotettonica) di interesse al sito 9/35

10 Input sismico in Garfagnana e Lunigiana (Toscana) SCELTA TIPOLOGIA DEGLI ACCELEROGRAMMI: PROBLEMA Quali sono le caratteristiche dello scuotimento (parametri di risposta) che più degli altri influenzano la risposta strutturale? Definizione della funzione di risposta (spettri in SA, SD, IA?) scalare (vettoriale) in termini probabilistici; Esecuzione deaggregazione per definire terremoti di scenario (M,d,ε) Associazione coppie (M, d) alla sismotettonica maggiori info Selezione accelerogrammi naturali (compatibilità ~ automatica) Generazione accelerogrammi sintetici. 10/35

11 Input sismico in Garfagnana e Lunigiana (Toscana) ESEMPIO: Selezione di accelerogrammi naturali al sito di Fivizzano PGA 475 = 0.191g M = 5.5, d = 13 km Criteri di selezione: Stazioni ubicate in siti rocciosi affioranti Magnitudo = ± 0.2 M = Fivizzano Distanza = ± 4 km d = 9-17 km Magnitudo = ± 0.5 M = Distanza = ± 7 km d = 6-20 km (da Dall Ara et al., 2006) 11/35

12 Input sismico in Garfagnana e Lunigiana (Toscana) (da Strobbia et al., 2005) DATI DISPONIBILI f (M,R) roccia PEER coppie (M, R) su siti rigidi stesso regime tettonico European Strong Motion Database 12/35

13 Input sismico in Garfagnana e Lunigiana (Toscana) CARATTERISTICHE DI UN GRUPPO DI ACCELEROGRAMMI da impiegare per le analisi, estratti da un insieme selezionato con criteri soddisfacenti a vincoli sismologici (M, d) desunti dalla DEAGGREGAZIONE L adattamento deve essere verificato per la MEDIA delle ordinate e non per il singolo spettro. Ulteriori criteri: (da Strobbia et al., 2005) considerando lo spettro medio nel range di periodi significativo (0.15 s 2 s) lo scarto massimo in difetto non deve essere elevato (<10%) lo scarto positivo massimo dei singoli spettri non deve essere eccessivo 13/35

14 Input sismico in Garfagnana e Lunigiana (Toscana) DIMENSIONE DEL GRUPPO 7 accelerogrammi Laboriosità analisi Stabilizzazione della media dei risultati delle analisi dinamiche Normativa (consente di utilizzare risultati medi delle analisi e non più sfavorevoli) METODO DI SCELTA DEGLI ACCELEROGRAMMI Scelta di 7 accelerogrammi Scalatura (PGA) Media Confronto con spettro isoprobabile: calcolo scarto medio e scarto negativo max (da Strobbia et al., 2005) 14/35

15 Input sismico in Garfagnana e Lunigiana (Toscana) POSSIBILI COMBINAZIONI Combinazioni di n elementi r a r (disposizioni senza considerare ordinamento) Con 60 accelerogrammi, 7 a 7 circa 10 9 combinazioni Selezione manuale: Procedura trial and error : osservazione degli spettri e confronto con spettro obiettivo, scelta di accelerogrammi e calcolo della media, aggiunta di nuovi accelerogrammi e sostituzione, fino a raggiungimento di buon adattamento Selezione con pre-elaborazione automatica: Individuazione automatica dei gruppi con scarto minimo Scelta manuale tra i gruppi migliori 15/35

16 Input sismico in Garfagnana e Lunigiana (Toscana) PRE-ELABORAZIONE AUTOMATICA Estrazione di accelerogrammi dall insieme di accelerogrammi più ampio (solo accelerogrammi con Magnitudo <=6 : una delle magnitudo tra M L, M S, M W, M b ) Estrazione casuale di un gruppo. Scalatura. Media. Calcolo scarti. (scarto neg. max e medio) Distribuzione Scarto negativo massimo ( di gruppi da 7) (da Dall Ara et al., 2006) 16/35

17 Input sismico in Garfagnana e Lunigiana (Toscana) Selezione di accelerogrammi naturali spettro-compatibili ad uno spettro isoprobabile (PR = 475 anni) al sito di Fivizzano (Lucca) (da Dall Ara et al., 2006) 17/35

18 Input sismico in Garfagnana e Lunigiana (Toscana) Selezione di accelerogrammi naturali spettro-compatibili ad uno spettro isoprobabile (PR = 475 anni) al sito di Fivizzano (Lucca) (da Dall Ara et al., 2006) Probabilistico (PR 475) 18/35

19 Input sismico in Garfagnana e Lunigiana (Toscana) ANALISI DEI SINGOLI SPETTRI DI RISPOSTA Contributi diversi con varietà di forme spettrali spettro medio 19/35

20 Utilizzo accelerogrammi: analisi numeriche avanzate Esempio: analisi numerica FEM diaframma con DIANA 9 Distribuzione post-sismica degli sforzi verticali Distribuzione post-sismica degli sforzi orizzontali Input sismico 20/35

21 Utilizzo accelerogrammi: analisi numeriche avanzate Esempio: analisi dinamica avanzata di un pendio Edificio (T = 0.1 s) DYNAFLOW modello Punto di controllo Moto Incidente Elementi di frontiera che simulano le proprietà dello strato sottostante come: Densità: ρ = 2000 kg/m 3 Velocità onde di taglio: C = 500 m/s 21/35

22 Uso accelerogrammi: prove sperimentali su modelli fisici Tavola vibrante a EUCENTRE 22/35

23 Uso accelerogrammi: prove sperimentali su modelli fisici Tavola vibrante a EUCENTRE 23/35

24 Input sismico al sito archeologico di Jam (Afghanistan) Valutazione della pericolosità sismica al sito JAM 24/35

25 Input sismico al sito archeologico di Jam (Afghanistan) Sismicità storica e strumentale dell Afghanistan (dal catalogo di Ambraseys & Bilham, 2003) (dal Menon et al. 2004) 25/35

26 Input sismico al sito archeologico di Jam (Afghanistan) Zonazione sismogenetica dell Afghanistan (da Menon et al., 2004) 26/35

27 Input sismico al sito archeologico di Jam (Afghanistan) Spettri di risposta a pericolosità uniforme : componente orizzontale Spectral Acceleration (g) Analisi probabilistica Cornell-McGuire (con albero logico a 12 rami) Return Period - 72 years Return Period years Return Period years Return Period years Valori di PGA RP (yr) PHA(g) PVA (g) Structural Periods (seconds) (da Menon et al., 2004) 27/35

28 Input sismico al sito archeologico di Jam (Afghanistan) Risultato deaggregazione (componente orizz.) PGA: periodo ritorno 475 anni Probability density 3 2 x Magnitude, M Distance, km 0 x Distance (km) , , , Controlling 120 earthquake M 6.26, km , , , , , , Magnitude (M) (da Menon et al., 2006) 28/35

29 Input sismico al sito archeologico di Jam (Afghanistan) Risultato deaggregazione per accel. spettrale a T=1 s: periodo ritorno 475 anni , , 260 Distance (km) , , , , , 160 M 6.68, 165 km 7.14, 160 Controlling earthquake (@ T 1 sec) 5.79, Magnitude (M) (da Menon et al., 2006) 29/35

30 Input sismico al sito archeologico di Jam (Afghanistan) Risultato selezione accelerogrammi reali (PEER, COSMOS, ESD database) M=7.6 d=88.5 M=7.6 d= M=7.6 d= M=6.1 d= M=6.4 d= M=6.2 d=120.0 Accl. (g) M=6.4 d= Time (seconds) Dalla deaggregazione dello studio di pericolosità sismica per PGA (475 anni) (da Menon et al., 2006) 30/35

31 Input sismico al sito archeologico di Jam (Afghanistan) Average scatter = 7.05% Maximum scatter = 9.16% UHS Mean RS (da Menon et al., 2006) Spectral Accleration (g) region of interest differenza percentuale Period (seconds) periodo [s] 31/35

32 Input sismico al sito archeologico di Jam (Afghanistan) Caratteristiche sismologiche dei 7 accelerogrammi reali spettro-compatibili scelti per le analisi dinamiche del minareto (periodo di ritorno 475 anni) Record Station ID/Source Earthquake M R (km) Site Geology PGA (g) 1 ILA051 (PEER) Chi Chi 99 M 7.6 R jb 88.5 USGS Soil A (N) 2 KAU077 (PEER) Chi Chi 99 M 7.6 R jb 95.6 USGS A (N) 3 TAP067 (PEER) Chi Chi 99 M 7.6 R jb USGS A (N) 4 Hemet Fire Station Whittier Deep M 6.1 R (COSMOS) Narrows, CA 87 jb alluvium (360) 5 Atene A. Puketapu Weber 1, NZ 90 M 6.2 R hyp 120 Rock/very stiff (N40E) 6 (COSMOS) Weber 2, NZ 90 M 6.4 R hyp 117 Rock/very stiff (N40E) 7 Kiparisia-bank (ES) Kalamata 97 M 6.4 R epi 103 Rock (da Menon et al., 2006) 32/35

33 Input sismico al sito archeologico di Jam (Afghanistan) Analisi non-lineari del minareto con interazione dinamica suolo-struttura m level Moment (KNm) Start of cracking Maximum Moment 60% of Max. Moment ε u in masonry m level m level m level m level m level Plastic hinge m level m level M 0.00 m level m level θ Chord rotations, θ (radians) (da Menon et al., 2006) 33/35

34 Input sismico al sito archeologico di Jam (Afghanistan) Analisi non-lineari del minareto con interazione dinamica suolo-struttura Rotation (rad) Displacement (m) STIFF SOIL - ACCL_ Time (seconds) DISP. - TOP DISP m DISP. - BASE Time (seconds) Bending moment (knm) STIFF_ACCL_ Rotations (rad) (da Menon et al., 2006) 34/35

35 Studio di valutazione accelerogrammi reali e artificiali OBIETTIVO Valutazione delle differenze nella risposta sismica di opere civili analizzate in modo alternativo mediante l utilizzo di accelerogrammi naturali e artificiali STRATEGIA Studio parametrico attraverso simulazioni numeriche finalizzato a quantificare la differenza nella risposta sismica di opere: Strutturali (temi di studio, tipologia strutturale, regolarità, non-linearità, etc.) Geotecniche (risposta sismica locale, stabilità pendii, opere sostegno, SSI) COMPATIBILITÀ INPUT SISMICO Accelerogrammi naturali e artificiali devono essere spettro-compatibili (in media) ad uno spettro obiettivo (isoprobabile, normativa) e scalati tutti allo stesso PGA 35/35