PROPRIETÀ DINAMICHE DEI TERRENI DEL CENTRO STORICO DI SELLANO ATTRAVERSO PROVE DI RCT CLTST E DSDSS

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1 Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 28 - IARG 28 Catania, Settembre 28 PROPRIETÀ DINAMICHE DEI TERRENI DEL CENTRO STORICO DI SELLANO ATTRAVERSO PROVE DI RCT CLTST E DSDSS P.Capilleri DICA, Università di Catania, Italia pcapilleri@dica.unict.it M. Maugeri DICA, Università di Catania, Italia mmaugeri@dica.unict.it Sommario Nella presente nota sono riportati i risultati di prove dinamiche di laboratorio (colonna risonante, taglio torsionale ciclico e taglio semplice) per la misurazione del modulo di taglio e dello smorzamento dei campioni di terreno prelevati nel centro abitato di Sellano (Pg), colpito dal terremoto Umbro Marchigiano del I risultati sperimentali sono espressi in termini di modulo di taglio massimo (G max ), modulo di taglio normalizzato (G s /G max ) e fattore di smorzamento (D). Introduzione La forte dipendenza dei valori del modulo di taglio (G) e del fattore di smorzamento (D), dal livello deformativo e l osservazione che sovente le deformazioni in sito sono modeste rispetto a quelle convenzionalmente riprodotte in laboratorio, hanno portato allo sviluppo di apparecchiature operanti a livelli di deformazione anche molto ridotti e alla ricerca di leggi che ben approssimino le variazioni di G e D all aumentare di γ. In relazione al livello deformativo investigato le prove dinamiche e cicliche di laboratorio possono essere raggruppate in due gruppi principali prove, a livelli deformativi bassi e medi e prove a livelli deformativi elevati. Nel primo gruppo rientrano ad esempio: le prove di colonna risonante (RCT)e taglio torsionale ciclico (CLTST), mentre nel secondo le prove di taglio semplice (TS) e prove triassiali cicliche (TXT). Nella presente sperimentazione sono state utilizzate l apparecchiature di colonna risonante (Lo Presti et al. 1993) in uso presso il laboratorio di Geotecnica Politecnico di Torino e quella di taglio semplice ciclico con doppio provino (Doroudian & Vucetic, 1995; Lanzo et al, 1997) in uso presso il laboratorio di Ingegneria Geotecnica e Strutturale dell Università la Sapienza di Roma. Caratterizzazione geotecnica dei terreni Sellano è un piccolo centro della catena Appenninica, ubicato lungo la strada sellanese fra il chilometro 16 e 17 su una dorsale collinare a quota di circa 64 m. s.l.m., allungata in senso antiappenninico. Fonti storiche riportano che sia stata fondata nell'81 A.C. da Lucio Silla, da cui prese il nome. Le indagini realizzate in seno alla microzonazione speditiva (Nunziata et al. 21) a seguito del terremoto Umbro Marchigiano del 1997, hanno messo in evidenza una stratigrafia costituita da una coltre di terreno a matrice limo argillosa con elementi ciottolosi o frammenti

2 Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 28 - IARG 28 Catania, Settembre 28 di conci rocciosi, provenienti dalle sottostanti formazioni, quali la Scaglia variegata (Sv), Scaglia cinerea (Sc), Scaglia rossa (Sr) e Bisciaro (Bi). Tutte queste formazioni sono tipiche di questa zona dell Appennino Umbro, sono tutte fortemente fratturate a causa della tettonica compressiva e distensiva che interessa l area suddetta. Pertanto la ricostruzione delle condizioni degli assetti stratigrafici nelle aree colpite dal terremoto, non poteva essere ricondotta ad una semplice caratterizzazione geologica delle formazioni costituenti il substrato, ma necessitava di approfondimenti delle caratteristiche geotecniche dei terreni superficiali, sia per la micro zonazione sismica sia per la valutazione della risposta sismica locale ai fini del recupero e dell adeguamento sismico degli edifici In un periodo successivo al terremoto sono state effettuate altre prove in sito e di laboratorio allo scopo di studiare in modo dettagliato le proprietà dinamiche dei suddetti terreni (Capilleri et al. 24; Capilleri et al. 25). In questo paragrafo verranno riportate le principali proprietà dei materiali oggetto di prova, indicandone le caratteristiche geotecniche principali. I risultati della sperimentazione in laboratorio riguardante l identificazione è la classificazione dei terreni analizzati, sono riportati in Tabella 1 e Figura 1. In particolare nella tabella 1 è possibile osservare che per i campioni suddetti il valore del limite liquido (w L ) varia da un valore circa a 62 % ad un valore pari a 68 %; il limite plastico (w P ) varia tra 35% e 43%; l indice plastico (PI) varia da un minimo di circa 22 % per il campione S 3 /C 3 ad un valore massimo di circa 3 % per il campione S 3 /C 1, infine i valori di Ic vanno da un minimo di 1.27 a In Figura 1 sono raffigurate le curve granulometriche; è possibile osservare che i campioni analizzati hanno matrice prevalentemente limo argillosa, con percentuali variabili di sabbia. Tabella 1. Caratteristiche meccaniche dei campioni di terreno Campione z (m) w n (%) w L (%) w P (%) PI(%) Ic G s CaCO 3 (%) OCR S 3 /C S 3 /C S 3 /C GHIAIA SABBIA LIMO ARGILLA Passante (%) S 3 C 1 S 3 C 3 S 3 C Diametro dei grani (mm) Figura 1.Curve granulometriche dei terreni analizzati

3 Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 28 - IARG 28 Catania, Settembre 28 Apparecchiature sperimentali Colonna Risonante L'apparecchiatura di colonna risonante in uso al Politecnico di Torino (figura 2a) è del tipo fixed-free (Hall and Richart 1963) ed è stata modificata in modo da poter eseguire prove di taglio torsionale monotono su campioni cilindrici pieni e cavi (Pallara, 1995). Il sistema di sollecitazione, interamente realizzato in alluminio, comprende il dispositivo di applicazione delle forze, ed un motore elettrico costituito da quattro magneti solidali con il sistema di sollecitazione, che si collega rigidamente con il cappellotto in testa al campione, e da otto bobine rigidamente fissate su una base di acciaio inossidabile di forma anulare, sulla quale sono inoltre rigidamente fissati: la struttura per la sospensione del sistema di applicazione dei carichi; i trasduttori di prossimità per la misura delle rotazioni e quello per la misura delle deformazioni assiali. Nel drive-system è sistemato un accelerometro per la misura delle rotazioni durante la prova di colonna risonante, opportunamente bilanciato in termini di massa da un contrappeso. Per evitare che il peso della struttura gravi sul campione, il sistema di trasmissione delle sollecitazioni, nel corso della prova, è sospeso ad una molla tramite un minuscolo cuscinetto a sfera che annulla l'influenza della rigidezza torsionale della molla nel piano di rotazione. Il drive-system, nel corso della prova, viene fissato su una struttura di sostegno. Questa oltre a sostenere il drive-system permette il posizionamento dei traduttori di prossimità per la misura della variazione radiale esterna, e inoltre, può essere riempita d'acqua nel caso di prove con campioni saturi. Taglio ciclico semplice con doppio provino L apparecchiature di taglio semplice ciclico con doppio provino (DSDSS) è di costruzione relativamente recente (Doroudian e Vucetic 1995). Per le prove è stata utilizzata l apparecchiatura disponibile presso il laboratorio di geotecnica dell Università di Roma, rappresentata schematicamente in figura 2b (Lanzo, 1995). L apparecchiatura riproduce in laboratorio con grande semplicità le condizioni di un elemento di terreno prima e durante l evento sismico. Queste condizioni sono rappresentate schematicamente dall elemento di terreno inizialmente soggetto alle sole tensioni geostatiche, l applicazione di sollecitazioni tangenziali cicliche per effetto delle onde di taglio che si propagano verticalmente fa si che l elemento sia sottoposto a una deformazionei di taglio γ. Questa condizione di deformazione è detta deformazione di taglio semplice (simple shear strain). La particolare configurazione del doppio provino, unitamente alla elevata rigidezza della struttura meccanica e all impiego di trasduttori di prossimità di adeguata risoluzione, ha consentito di abbassare sensibilmente il limite inferiore del campo di indagine sperimentale rispetto all apparecchiatura di taglio semplice tradizionale. In una singola prova, infatti, è possibile misurare le caratteristiche dei terreni in campo ciclico delle basse deformazioni, dell ordine di.4%, fino a deformazioni elevate, di oltre 1%. La possibilità di arrivare a tali livelli di deformazioni di taglio, è stata resa possibile grazie alla particolare configurazione adottata, che ha consentito di eliminare i problemi di attrito legati alla presenza del carrello orizzontale in virtù del quale gli attriti fra le varie parti meccaniche sono ridotti al minimo. Il carico verticale è applicato mediante un martinetto idraulico controllato da una cella di carico acqua-olio in grado di fornire una pressione massima di 18 kpa. Il carico ciclico orizzontale è applicato mediante un'asta con filettatura micrometrica azionata manualmente;

4 Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 28 - IARG 28 Catania, Settembre 28 a b Figura 2.a) Schema di apparecchiatura colonna risonante in dotazione al Politecnico di Torino. b) Schema di apparecchiatura di taglio semplice ciclico con doppio provino della versione UCLA in dotazione all Università di Roma La Sapienza. questa asta spinge a sua volta il pistone di un martinetto pneumatico a doppio effetto caricato a pressione costante. Il carico orizzontale è misurato da una cella di carico connessa direttamente al supporto intermedio, mentre lo spostamento orizzontale del supporto intermedio rispetto quello superiore ed inferiore e` misurato tramite un trasduttore di prossimità. Discussione dei risultati Il modulo di taglio G ed il rapporto di smorzamento D sono stati determinati in laboratorio per mezzo di prove di colonna risonante (RCT) e di taglio torsionale ciclico (CLTST) su provini indisturbati di forma cilindrica con raggio di 25 mm ed altezza di 1 mm attraverso l apparecchio di Colonna Risonante/Taglio Torsionale (Lo Presti et al. 1993) e su provini avente dimensioni con diametro di 66.7 mm ed altezza di 2 mm con l apparecchiatura di taglio semplice ciclico con doppio provino (Doroudian & Vucetic, 1995; Lanzo et al, 1997). Inoltre i provini utilizzati nell apparecchiatura di taglio semplice ciclico, sono stati inseriti all interno di una membrana in gomma, rinforzata da un filo d acciaio avvolto a spirale con lo scopo di impedire deformazioni radiali. Per quanto riguarda le prove effettuate presso il Politecnico di Torino, uno stesso campione successivamente alla fase di consolidazione è stato prima sottoposto ad una prova RCT, dopo un periodo di riposo di 24 ore a drenaggio aperto, ad una prova CLTST. Nelle prove di taglio ciclico semplice con doppio provino, i campioni sono stati sottoposti a fasi di consolidazione a diversi valori di tensione, partendo dal valore efficace medio stimato in sito (σ m ), per la durata di un giorno. Per ciascun valore della tensione verticale di consolidazione sono state quindi eseguite fasi di taglio cicliche con ampiezza della deformazione γ crescente.

5 Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 28 - IARG 28 Catania, Settembre 28 Determinazione del modulo di taglio da prove di RC, CTS, DSDSS G è il modulo di taglio di scarico-ricarico valutato attraverso le prove, mentre G è il valore massimo od anche il valore di "plateau" osservato nella curva G-log(γ). Generalmente G è costante fino a quanto non viene superato un certo valore limite di deformazione. Questo limite è chiamato soglia di deformazione elastica (γ l ) e si ritiene che per deformazioni inferiori a γ l il terreno esprima un comportamento elastico. Nella figura 3 sono riportati l andamento del modulo di taglio in relazione al livello deformativo ottenuto da prove di RC, CLTST e DSDSS. In accordo con quanto riportato in letteratura, e come si evidenzia dalle curve trovate con le prove DSDSS per qualsiasi valore della tensione (figura 4a), il modulo di taglio G diminuisce all aumentare della deformazione γ, questo aspetto e decisamente più evidente per le sabbie che per i materiali a grana fine. Si osserva che la variazione del modulo di rigidezza (G) con la deformazione tangenziale relativa per la prova di RC e per la prova CLTST, sono differenti soprattutto per valori di γ<.5% (Figura 3 a, b). La le curve relative alla variazione del modulo di taglio normalizzato (G/G ) con la deformazione tangenziale per le diverse prove sono in buon accordo (Figura 3 b). Per quanto riguarda i risultati delle prove effettuate con l apparecchiatura di DSDSS (Fig. 4), G (MPa) RC 5 CTS DSDSS RC CTS.1 DSDSS Figura 3.a) Variazione del modulo di taglio con la deformazione tangenziale misurata nel corso delle prove RCT, CLTST e DSDSS per il campione C1/S3; b) variazione del modulo di taglio normalizzato (G/G ) con la deformazione tangenziale misurata nel corso delle prove RCT, CLTST e DSDSS per il campione C1/S 6 G/ G G (MPa) 3 G/ G Step # Step # Figura 4.a)Variazione del modulo di taglio con la deformazione tangenziale misurata nel corso della prova DSDSS per il campione C1/S3 per i diversi valori della tensione di consolidazione; b) variazione del modulo di taglio normalizzato (G/G ) con la deformazione tangenziale misurata nel corso della prova DSDSS per il campione C1/S per i diversi valori della tensione di consolidazione

6 Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 28 - IARG 28 Catania, Settembre 28 è possibile osservare come le curve modulo di taglio - deformazione tangenziale, vanno ad incrementarsi con il valore della tensione applicata, e che queste risultano essere in buon accordo tra loro quando le rappresentiamo normalizzate rispetto a G (Figura 4 a, b). Determinazione dello smorzamento da prove di RC, CTS, DSDSS Nel caso di prove RCT il rapporto di smorzamento è stato determinato utilizzando due differenti procedure. Seguendo il metodo del fattore di amplificazione, il rapporto di smorzamento è stato ricavato durante la condizione di risonanza del provino; seguendo il metodo del decremento logaritmo il rapporto di smorzamento è stato valutato durante il decremento delle vibrazioni libere. Sia nel caso di prove CLTST che nel caso di prove DSDSS il rapporto di smorzamento è stato ottenuto utilizzando la definizione del rapporto di smorzamento isteretico derivante da modelli lineari equivalenti. Le curve rappresentative dell andamento di D in relazione al livello deformativo investigato, ottenuto da prove di RC, CLTST e DSDSS (Figura 5) risultano essere in buon accordo. Inoltre, in accordo con quanto riportato in letteratura e come si evidenzia dalle curve trovate con le prove DSDSS (figura 5b), lo smorzamento D al progredire della deformazione γ, non aumenta in modo evidente all aumentare del valore della tensione applicata come avviene per il valore del modulo di taglio G RC CTS DSDSS Step # D (%) 2 D (%) Figura 5.a) Variazione del rapporto di smorzamento con la deformazione tangenziale misurata nel corso delle prove RCT, CLTST e DSDSS per il campione C1/S3; b) variazione del rapporto di smorzamento con la deformazione tangenziale misurata nel corso delle prove DSDSS per il campione C1/S Conclusioni Nel presente lavoro sono riportati i risultati di uno studio di caratterizzazione geotecnica dell area sismica di Sellano. Sulla base dei risultati ottenuti è possibile esprimere alcune considerazioni. Le prove effettuate con l apparecchiatura di taglio semplice ciclico con doppio provino (DSDSS), hanno consentito di eseguire prove applicando allo stesso provino diverse tensioni di consolidazione. La diversità riscontrata per il modulo di taglio iniziale (G ) con la deformazione tangenziale

7 Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 28 - IARG 28 Catania, Settembre 28 sembrerebbe influenzata: -nelle prove RCT e CLTST, con consolidazione isotropa, dal diverso valore della frequenza e della velocità di deformazione, maggiore nel primo caso; -nelle prove di CLTST e DSDSS dalle diverse modalità di esecuzione delle prove, nonchè dal diverso tipo di consolidazione, isotropo nel primo caso e anisotropo nel secondo caso. E stato riscontrato un buon accordo tra i vari tipi di prove sia per il decadimento normalizzato del modulo di taglio che per l aumento dello smorzamento al procedere della deformazione di taglio. Ringraziamenti Gli autori ringraziano il Prof. Giuseppe Lanzo e l ing. A. Pagliaroli dell Università La Sapienza di Roma e l ing. Oronzo Pallara del Politecnico di Torino, per la collaborazione durante l esecuzione delle prove di laboratorio. Bibliografia Capilleri P., Lanzo G.,.Maugeri, M.Pagliaroli A (25), Site Effects Evaluation In Sellano (Italy) By Means Of 1-D And 2-D Numerical Analyses (Italy) Fifth International Conference on Earthquake Resistant Engineering Structures - ERES 25 3 May-1 June 25, Skiathos, Greece. Capilleri P., Cavallaro A., Maugeri M., (24). Caratterizzazione Statica e Dinamica dei terreni del centro storico di Sellano. XI Convegno Nazionale Anidis - L ingegneria Sismica in Italia. Genova, Gennaio 24. Doroudian M., Vucetic M. (1995). A direct simple shear device for measuring small-strain behavior ASTM Geotechnical Testing Journal. Hall, J.R. Jr. and Richart, F.E. Jr., (1963). Dissipation of elastic wave energy in granular soils. Journal of Soil Mechanics and Foundations Division, Vol. 89, No SM6, pp Lanzo G.(1995). Comportamento non lineare del terreno influente sulla risposta sismica locale. Tesi di Dottorato in Ingegneria Geotecnica Consorzio tra le Università di Roma La Sapienza e Napoli Federico II. (Roma, Febbraio, 1995). Lo Presti, D.C.F., Pallara, O, Lancellotta, R., Armandi, M. and Maniscalco, R Monotonic and cyclic loading behaviour of two sands at small strains. Geotechnical Testing Journal, Vol 16, No 4, Nunziata C., Chimera G., Natale M., Panza G.F. (21).Vs measurement of Sellano. Italian Geotechnical Journal XXXV, n.4 October-December 21, pp Pallara. (1995). Comportamento sforzi-deformazioni di due sabbie soggette a sollecitazioni monotone e cicliche, Tesi di Dottorato, Politecnico di Torino, 1995.