SICUREZZA E CONSERVAZIONE

Transcript

1 L INFLUENZA DELLE CARATTERISTICHE SPAZIALI DELL EVENTO SISMICO SUL DANNEGGIAMENTO STRUTTURALE L. PETTI 1, I. MARINO 1 1 Dipartimento di Ingegneria Civile, Università di Salerno SOMMARIO Il terremoto aquilano del 2009 rappresenta un evento di particolare rilevanza in ambito scientifico in considerazione sia delle sue caratteristiche sismologiche che delle numerose informazioni disponibili. Il lavoro indaga la domanda sismica registrata in corrispondenza di stazioni poste nell area epicentrale per mezzo di una descrizione spettrale innovativa che vede l uso degli spettri polari. Lo studio è finalizzato all approfondimento dei fenomeni di direttività al fine di dare un contributo alla comprensione del danneggiamento osservato sia a larga scala che localmente. I risultati ottenuti evidenziano che le direzioni di maggiore impegno sismico non coincidono con le principali direzioni e tendono a variare al variare del periodo proprio di vibrazione. I risultati sono coerenti con le osservazioni dirette del danneggiamento osservato. ABSTRACT The April 6, 2009 L Aquila mainshock is the first well-documented strong-motion earthquake instrumentally recorded in Italy in a near-fault area. The paper discuss the seismic demand recorded nearly the focal source by means of a new spectral representation, namely polar spectrum. The study objective is to evaluate the directivity effects to allow a better understanding of the observed damage. Results show the variability of the seismic demand in the horizontal plan by varying the period of vibration and seem to be coherent with the observed damage. 1. INTRODUZIONE Il terremoto aquilano dell aprile 2009 è il primo evento importante del tipo near-fault registrato in Italia e di cui si dispone di numerose informazioni. L evento, caratterizzato da una magnitudo Mw=6.3 e profondità focale 10 km, è stato provocato dalla rottura di una faglia "normale" orientata secondo l andamento dell Appennino e situata in gran parte sotto la città de L Aquila [1]. Delle 56 stazioni accelerometriche della rete RAN (Rete Accelerometrica Nazionale) che hanno registrato l evento, le quattro localizzate entro 10km dall epicentro, hanno mostrato valori di picco delle accelerazioni al suolo particolarmente elevate. Stazione accelerometrica/direzione PGA [g] direzione X direzione Y direzione Z FA030 stazione AQG, Colle dei Grilli CU104 stazione AQA, Fiume Aterno GX066 stazione AQV, Valle dell Aterno AM043 stazione AQK, Aquila Park Tabella 1. PGA registrate dalla rete RAN entro 10 km dall epicentro

2 I valori massimi delle accelerazioni di picco registrati, comprese tra 0,22g e 0,63g, possono essere imputate alla vicinanza della zona di rottura, alla tipologia della stessa ed a fenomeni di amplificazione locale dovuti alle particolari condizioni geomorfologiche [2]. Si evidenzia che anche le componenti verticali hanno raggiunto valori significativamente alti. Per quanto attiene gli effetti sul costruito, si legge, a larga scala, una distribuzione del danno, in un area di circa 600 chilometri quadrati, non uniforme e particolarmente asimmetrica [3] che evidenzia sia la rilevanza degli effetti locali di sito che gli effetti indotti dalla direttività del fenomeno del tipo near-fault. Gli effetti dovuti alla direttività si evidenziano anche dalla lettura puntuale dei danni sui singoli edifici. In tale ambito, al fine di meglio caratterizzare la domanda sismica sul costruito si presentano analisi spettrali innovative delle principali registrazioni accelerometriche che consentono di ampliare le conoscenze in merito alle caratteristiche spaziali del particolare evento. Come è noto, nel campo dell ingegneria sismica la domanda è generalmente descritta per mezzo di spettri di pseudoaccelerazione che consentono di indagare la risposta sismica di una struttura attraverso forze statiche equivalenti che si valutano sulla base dei parametri dinamici quali le forme modali, i periodi ed i fattori di smorzamento. I moderni codici sismici, incluse le nuove norme tecniche per le costruzioni di cui al DM , definiscono spettri elastici e/o di progetto per ogni assegnato livello di performance (stato limite da verificare) in considerazione della pericolosità del sito, della tipologia del suolo e della rilevanza strategica della costruzione. Tale descrizione non consente però di mettere in evidenza eventuali direzioni preferenziali con cui lo scuotimento sismico si potrebbe manifestare nel sito di interesse né di portare in conto gli aspetti specifici di un evento del tipo near-fault. Nel presente lavoro, vengono indagati gli effetti della direzionalità dell evento di L Aquila per le registrazioni accelerometriche di alcune stazioni RAN localizzate ad una distanza epicentrale minore di 10 chilometri mediante l uso di uno strumento innovativo detto spettro polare [4]. Tale strumento consente di descrivere la domanda sismica nel piano orizzontale al variare sia del periodo proprio di vibrazione e della direzione indagata. I risultati ottenuti, sebbene evidenzino che la direzione di maggiore impegno tende a variare anche al variare del periodo proprio di vibrazione, nel caso aquilano permettono di individuare nella direzione NW-SE la domanda spettrale più gravosa. Le direzioni principali di domanda sismica, così individuate, trovano conferma nell osservazione diretta del danneggiamento sia su larga scala che puntualmente in corrispondenza dei singoli edifici. Ai fini dello studio si riporta, infine, il confronto della massima domanda spettrale ottenuta dagli spettri polari e la domanda sismica di progetto prevista nelle norme tecniche allegate al DM96 ed al DM DESCRIZIONE DELLA DOMANDA SISMICA MEDIANTE SPETTRI POLARI Per caratterizzare la domanda sismica in prossimità di ogni stazione considerata è stata valutata la risposta spettrale per molteplici direzioni in pianta. Come detto, sono state considerate le registrazioni dell evento, opportunamente corrette [5], in corrispondenza di quattro stazioni RAN poste ad una distanza inferiore ai 10 km dall epicentro [6]. In particolare, sono stati valutati gli spettri di risposta per 40 direzioni in pianta (ogni 9 ) nel range di periodi sec, avendo assunto un coefficiente di smorzamento del 5%. Le domande spettrali sono state costruite sulla base della componente del moto sismico in ognuna delle direzioni considerate. L insieme degli spettri così valutati consente di costruire una superficie spettrale che definisce completamente l evento sismico nel piano per ognuno dei siti in corrispondenza delle stazioni accelerometriche considerate. La proiezione in pianta di tali superfici spettrali, rappresentata per mezzo di un opportuna mappatura cromatica, definisce gli spettri polari che consentono una più immediata visualizzazione della variabilità dell evento nel piano.

3 I risultati ottenuti sono riportati nelle figure 1-4. In particolare, per ognuna delle registrazioni si riporta la sovrapposizione delle domande spettrali in termini di pseudo-accelerazione valutate per le direzioni considerate e gli spettri polari in termini di pseudo-accelerazione (PSA), pseudo-velocità (PSV) e spostamenti (SD). Per quanto attiene alla sovrapposizione delle domande spettrali in termini di pseudo accelerazione, sono evidenziati gli inviluppi e le domande Sax e Say valutate nelle direzioni principali. Gli spettri polari rappresentano, invece, la domanda sismica nel piano orizzontale per ogni direzione considerata al variare del periodo di vibrazione. In particolare, negli spettri polari illustrati sono evidenziati per mezzo di cerchi concentrici i periodi 0.5, 1 e 1.5 sec.. Il centro degli spettri polari corrisponde al periodo nullo. 1.6 Sa [g] S ax S ay S aenv SD [m] T [sec.] Confronto tra gli spettri di risposta in termini di pseudo-accelerazioni PSV [m/s] Spettro polare in termini di spostamenti PSA [g] Spettro polare in termini di pseudo-velocità Spettro polare in termini di pseudo-accelerazioni Figura 1. Registrazione FA030 stazione accelerometrica AQG Spettri valutati ogni 9 per ogni direzione orizzontale nel piano I cerchi concentrici negli spettri polari dal centro verso l esterno corrispondono ai periodi di vibrazione 0.5, 1.00 e 1.50 sec.. Lo direzione 0 è posta a Sud L analisi dei risultati ottenuti mostra che, nel caso della stazione di registrazione AQG, la domanda sismica presenta valori maggiori per i periodi prossimi a 0.3 sec per la PSA e 0.9 sec per la PSV. Inoltre, è possibile individuare la direzione NW-SE come quella lungo la quale la domanda sismica risulta generalmente maggiore.

4 1.6 Sa [g] S ax S ay S aenv SD [m] T [sec.] Confronto tra gli spettri di risposta in termini di pseudo-accelerazioni PSV [m/s] Spettro polare in termini di spostamenti PSA [g] Spettro polare in termini di pseudo-velocità Spettro polare in termini di pseudoaccelerazioni Figura 2. Registrazione GX066 stazione accelerometrica AQV Spettri valutati ogni 9 per ogni direzione orizzontale nel piano I cerchi concentrici negli spettri polari dal centro verso l esterno corrispondono ai periodi di vibrazione 0.5, 1.00 e 1.50 sec. Lo direzione 0 è posta a Sud Nel caso della stazione di registrazione AQV è possibile osservare valori più alti della domanda spettrale in termini di PSA e PSV per i periodi prossimi a 0.5sec nella direzione NW-SE. Nel caso della PSA, risulta che la domanda sismica è generalmente maggiore nella stessa direzione per tutti i periodi indagati. I più alti valori della PSV si ottengono, invece, tra la direzione NW-SE in corrispondenza di un periodo di 0.5 sec e la direzione NE-SW in corrispondenza di un periodo di 1.5sec. Infine, la risposta in termini di SD presenta valori generalmente elevati nella direzione NE-SW.

5 1.6 Sa [g] S ax S ay S aenv SD [m] T [sec.] Confronto tra gli spettri di risposta in termini di pseudo-accelerazioni PSV [m/s] Spettro polare in termini di spostamenti PSA [g] Spettro polare in termini di pseudo-velocità Spettro polare in termini di pseduo-accelerazioni Figura 3. Registrazione AM043 stazione accelerometrica AQK Spettri valutati ogni 9 per ogni direzione orizzontale nel piano I cerchi concentrici negli spettri polari dal centro verso l esterno corrispondono ai periodi di vibrazione 0.5, 1.00 e 1.50 sec. Lo direzione 0 è posta a Sud Per la stazione di registrazione AQK la domanda sismica in termini di PSV e SD risulta più elevata generalmente lungo la direzione NW-SE con valori massimi in corrispondenza dei periodi che si attestano nell intorno di 1.5 sec. La risposta in termini di PSA presenta, invece, picchi in corrispondenza di 0.2sec e valori significativi fino a 1.5 sec.

6 1.6 Sa [g] S ax S ay S aenv PS D T [sec.] Confronto tra gli spettri di risposta in termini di pseudo-accelerazioni PSV [m/s] Spettro polare in termini di spostamenti PS A Spettro polare in termini di pseudo-velocità Spettro polare in termini di pseduo-accelerazioni Figura 4. Registrazione CU104 stazione accelerometrica AQA Spettri valutati ogni 9 per ogni direzione orizzontale nel piano I cerchi concentrici negli spettri polari dal centro verso l esterno corrispondono ai periodi di vibrazione 0.5, 1.00 e 1.50 sec. Lo direzione 0 è posta a Sud Nel caso della registrazione AQA, le direzioni di maggiore domanda sismica per PSA variano nel range sec dalla direzione N-S a quella W-E. La domanda sismica in termini di PSV presenta, invece, i valori maggiori nella direzione W-E per periodi di 0,5sec. e nella direzione NW-SE per periodi di 1.5 sec. Per tutti i casi analizzati, i risultati evidenziano che gli spettri valutati lungo le direzioni principali NS e EW non rappresentano generalmente la domanda sismica maggiore. Per quanto attiene il particolare evento, gli spettri polari costruiti evidenziano, inoltre, che la direzione per cui la domanda sismica è maggiore varia al variare dei periodi propri di vibrazione. Pur tuttavia è possibile individuare nella direzione NW-SE quella per cui generalmente l impegno sismico risulta maggiore.

7 3. CONFRONTO SPETTRI DI DOMANDA SPETTRI DI PROGETTO Ai fini del confronto tra la domanda spettrale valutata per le registrazioni considerate e la domanda spettrale elastica valutata in accordo alle nuove norme tecniche (NTC2008) [7] sono stati considerati gli spettri elastici costruiti per gli stati limite di seguito riportati, per i suoli tipo A, B e C e per costruzioni Ordinarie ovvero Strategiche: Costruzioni Ordinarie (VR = 50 anni) Costruzioni Strategiche (VR = 200 anni) Stato limite di operatività (SLO) TR [anni] = 30 TR [anni] = 120 Stato limite di danno (SLD) TR [anni] = 50 TR [anni] = 201 Stato limite di Salvaguardia della Vita (SLV) TR [anni] = 475 TR [anni] = 1898 Stato Limite di prevenzione al collasso (SLC) TR [anni] = 975 TR [anni] = 2475 Tabella 2. Periodi di ritorno considerati per i confronti Per il confronto, nel caso del DM96 [8], gli spettri elastici sono stati ottenuti da quelli di progetto previsti nella norma ipotizzando un fattore di struttura q=4, un coefficiente parziale di sicurezza pari a 1,5 e considerando fattori di importanza pari rispettivamente ad 1,0 e 1,4 per le strutture ordinarie e strategiche. Nelle figure 5-8 sono riportati i suddetti confronti per le registrazioni considerate. In particolare per ogni registrazione si riportano nelle figure di sinistra ed in quelle di destra rispettivamente gli spettri valutati per le strutture ordinarie e quelle strategiche. Le figure inferiori e superiori riportano rispettivamente, invece, gli spettri valutati per le componenti orizzontali e verticali.

8 Figura 5. Registrazione FA030 stazione accelerometrica AQG Confronti Domanda / Spettri Elastici Norme Figura 6. Registrazione GX066 stazione accelerometrica AQV Confronti Domanda / Spettri Elastici Norme

9 Figura 7. Registrazione AM043 stazione accelerometrica AQK Confronti Domanda / Spettri Elastici Norme Figura 8. Registrazione CU104 stazione accelerometrica AQA Confronti Domanda / Spettri Elastici Norme L analisi dei risultati consente di pervenire alle seguenti principali considerazioni: la domanda sismica orizzontale e verticale valutata sulla base delle registrazioni considerate è particolarmente severa sui bassi periodi; generalmente la domanda spettrale sui bassi periodi è più alta di quella prevista dalle NTC 2008 per lo Stato Limite di prevenzione dal Collasso (SLC), soprattutto nel caso delle costruzioni di tipo ordinario; le differenze tra la domanda sismica registrata e quella di progetto prevista dalle norme allegate al DM96 risultano particolarmente marcate; in tutto il range dei periodi considerati la domanda sismica risulta significativamente maggiore di quella considerata dalle norme per lo Stato Limite di controllo del Danno (SLD). Le analisi hanno anche mostrato che la domanda spettrale verticale, sebbene non generalmente considerata in fase di progetto, a meno di particolari condizioni, ha giocato un ruolo importante per questo particolare evento avendo, in alcuni casi, registrato componenti verticali delle accelerazioni comparabili con quelle orizzontali. CONCLUSIONI Lo studio ha indagato la domanda sismica aquilana per mezzo di una descrizione spettrale innovativa che ha permesso di valutare le direzioni di maggiore impegno sismico. In particolare, l analisi dei risultati ottenuti dagli spetti polari mostra

10 che la domanda sismica valutata nelle direzioni principali NS e EW non rappresenta la maggiore domanda in termini di impegno sismico richiesto. In particolare, sebbene ogni registrazione accelerometrica considerata presenti sue peculiari caratteristiche, è possibile individuare, per l evento aquilano, la direzione di maggiore impegno sismico lungo la congiungente NW-ES. Gli spettri polari elaborati per ognuna delle registrazioni considerate mostrano anche che la domanda sismica non si presenta uniforme nel piano al variare del periodo di vibrazione. Inoltre, il confronto tra la massima domanda spettrale ottenuta dagli spettri polari e quella costruita in accordo alle norme tecniche allegate ai DM96 e DM08 mostra l incapacità della descrizione spettrale ordinaria nel cogliere gli effetti prodotti dalla direttività dell evento sismico e gli effetti tipici di un evento di tipo near-fault. In generale l osservazione diretta del danneggiamento sul costruito conferma i risultati ottenuti dagli spettri polari il cui impiego potrebbe aprire nuovi scenari rispetto alla descrizione della domanda sismica di progetto. BIBLIOGRAFIA [1] Autori Vari, 2009, Preliminary Report on the Seismological and Geotechnical Aspects of the April L'Aquila Earthquake in Central Italy, GEER Association Report No. GEER-016 [2] Paola Monaco et al. (2009), Geotechnical Aspects of the L Aquila Earthquake Earthquake Geotechnical Engineering Satellite Conference XVIIth International Conference on Soil Mechanics & Geotechnical Engineering , Alexandria, Egypt [3] Galli P., Camassi R. (eds.) (2009): Rapporto sugli effetti del terremoto aquilano del 6 aprile 2009, Rapporto congiunto DPC-INGV ( in Italian). [4] L. Petti, I. Marino, L. Cuoco (2008), Seismic response analysis of 3d structures through simplified non-linear procedures, 14th World Conference on Earthquake Engineering, October 12-17, 2008, Beijing, China [5] ITACA, Italian Accelerometric Archive ( [6] RAN National Accelerometric Network DPC Dipartimento di Protezione Civile ( [7] NTC2008, Norme tecniche per le costruzioni, D.M. 14 Gennaio 2008 [8] DM96, Norme tecniche per le costruzioni in zona sismica, D.M. 16 Gennaio 1996