STACEC s.r.l. Software e servizi per l ingegneria S.S. 106 Km Bovalino (RC)

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3 MANUALE D USO Local Seismic Response 2D 3

4 1. Introduzione La valutazione delle caratteristiche del moto del terreno in superficie a seguito di un terremoto è di fondamentale importanza per la progettazione di strutture in grado di resistere alle azioni sismiche. Come è noto, in assenza di manufatti, tali caratteristiche possono essere attribuite a tre meccanismi fondamentali: meccanismo di sorgente, propagazione delle onde dalla sorgente al sito e risposta sismica locale. In modo particolare, quest ultima è responsabile delle modifiche in ampiezza, durata e contenuto in frequenze, che un moto sismico relativo ad una formazione rocciosa di base (terremoto di riferimento), subisce attraversando gli strati dal bedrock fino alla superficie [Lanzo G. et al.,1999]. Il fenomeno della risposta sismica locale è stato oggetto di numerosi studi negli ultimi trent anni, basati sull analisi delle registrazioni di eventi sismici e su modellazioni di carattere numerico, a tal punto da essere introdotto nei moderni codici normativi. Lo stesso testo NTC2008 (Cap ) propone, come via ufficiale, un approccio numerico (monodimensionale o bidimensionale a seconda dei casi) per la valutazione della reale risposta sismica stratigrafica del deposito di terreno alla scala della singola opera o del singolo sistema geotecnico. L analisi numerica per la valutazione della risposta sismica locale, oltre ad essere più accurata rispetto all approccio semplificato descritto dall NTC2008 (categorie di sottosuolo), consente di identificare l amplificazione stratigrafica nel caso specifico individuando intervalli di periodo più limitati rispetto a quelli di normativa e di conseguenza ottenere dimensionamento strutturale più economico. Il software LSR 2D (Local Seismic Response 2d) consente di effettuare una modellazione bidimensionale di tale problematica mediante un approccio agli elementi finiti, nel dominio del tempo, in tensioni totali, utilizzando un modello di sottosuolo alla Kelvin-Voigt. 4

5 2. Input 2.1 Fasi di Input In figura 2.1 è riportata la finestra principale del software dalla quale è possibile accedere ai diversi ambienti che consentono di effettuare la modellazione. Tale modellazione può essere schematizzata nelle seguenti fasi: - Inserimento dati generali del progetto; - Inserimento della stratigrafia; - Caricamento accelerogrammi di input e scalatura rispetto alla PGA; - Inserimento modelli di decadimento del modulo di taglio e del rapporto di smorzamento viscoso del terreno; - Posizionamento punto di controllo in superficie e generazione della mesh di calcolo; - Definizione delle analisi e condizioni di carico; Fig. 2.1 Interfaccia principale LSR2D. 2.2 Dati generali del progetto 5

6 Accedendo dal menù a tendina Modello e cliccando sulla voce Dati generali appare la finestra rappresentata in figura 2.2. Da qui, accedendo dalla voce Dati generali calcolo è possibile editare: - Numero di threads funzione del sistema operativo. - Azzera caratteristiche materiali per ogni azione di carico. - Errore relativo sul decadimento del modulo di taglio - Errore relativo sul decadimento del rapporto di smorzamento - Coefficiente per determinare la deformazione di taglio efficace a partire da quella massima. - Numero massimo di iterazioni per ricerca degli autovalori del deposito. - Periodo minimo e massimo dello spettro in Output. - Passo per il periodo in Output. - Smorzamento viscoso di riferimento (espresso in percentuale e generalmente posto pari al 5%) per il calcolo dello spettro di risposta. Fig. 2.2 Interfaccia dati generali. 6

7 2.3 Inserimento della stratigrafia Accedendo dal menù a tendina Modello e cliccando sulla voce Inserisci/modifica profilo stratigrafico è possibile accedere all ambiente visualizzato in figura 2.3. L inserimento della stratigrafia deve essere condotto inserendo dapprima il profilo che descrive l orografia, successivamente i vari strati i cui punti iniziale e finale devono coincidere con un punto appartenente o alla stessa orografia oppure ad uno strato già inserito ed infine bisogna definire i punti della stratigrafia a contatto con il bedrock. Fig. 2.3 Interfaccia introduci stratigrafia. Per l inserimento dell orografia vengono messi a disposizione i seguenti comandi CAD elementari: - Avvia input grafico linea spezzata; - Sposta punto su spezzata; - Spezza punto su un tratto della spezzata. 7

8 Il posizionamento esatto dei punti delle singole spezzate può essere effettuato in due modi; - Editando le coordinate del singolo punto dalla tabella in alto a sinistra; - Agganciando i vari punti sulla griglia mediante lo strumento di snap. I parametri della griglia possono essere modificati accedendo alla finestra rappresentata in figura 2.4 mediante il pulsante Opzioni griglia. Da qui è possibile: Fig. 2.4 Opzioni griglia. - Variare il passo del reticolo nelle direzioni X ed Z; - Scegliere il numero di punti del reticolo nelle direzioni X ed Z; - Variare le coordinate del punto di origine (vertice in basso a sinistra della griglia); - Scegliere se visualizzare o meno la griglia. Una volta inserita l orografia è possibile procedere con l inserimento dei singoli strati; a tal proposito, cliccando sul pulsante Inserisci strato si avvia la fase di inserimento della spezzata che costituisce lo strato da inserire. 8

9 Come già accennato in precedenza, il primo strato deve avere il primo e l ultimo punto coincidenti con dei punti già presenti nell orografia (vedi esempio in figura 2.5). Fig. 2.5 Fase di inserimento primo strato. Al fine di verificare che lo strato sia stato inserito in maniera corretta è possibile visualizzare, mediante il pulsante Attiva visualizzazione regioni, la regione del piano occupata dallo strato appena inserito (vedi figura 2.6). L inserimento degli strati successivi deve avvenire partendo e finendo su un punto appartenente o ad uno strato già presente oppure appartenente all orografia. 9

10 Fig. 2.6 Fase di inserimento strati successivi. Le caratteristiche meccaniche del singolo strato selezionato possono essere editate dalla griglia delle proprietà presente in alto a destra (figura 2.7). La scelta riguarda: - Nome dello strato; - Descrizione; - Colore; - Modello geotecnico (curve di decadimento del modulo di taglio e del rapporto di smorzamento viscoso); - Peso totale dell unità di volume (espresso in kg/m 3 ); - Velocità delle onde di taglio (espresso in m/s); - Coefficiente di contrazione trasversale (Poisson) ; - Modulo di taglio; - Errore relativo sul decadimento del rapporto di smorzamento. 10

11 Fig. 2.7 Caratteristiche del singolo strato. Completata la fase di inserimento degli eventuali altri strati, la fase di inserimento della stratigrafia si conclude con la definizione dei punti a contatto con il bedrock (figura 2.8). Fig. 2.8 Definizione del bedrock. 11

12 Per inserire il bedrock alla base dello stratoscegliere la linguetta Vincoli (1) nella maschera Stratigrafia, cliccare sul pulsante input vincoli (2), quindi individuare i punti estremi del bedrok (3) e (4) ed assegnare come restrizione il tipo Substrato (5). 2.4 Accelerogrammi di Input Cliccando sul pulsante Accelerogrammi è possibile accedere all ambiente riportato in figura 2.9 che consente di caricare singoli in formato *.txt ognuno dei quali i punti di un singolo accelerogramma. La formattazione del file è la seguente: E E E-03 La prima colonna contiene gli istanti di tempo e la seconda le accelerazioni. Cliccando sul pulsante Inserisci accelerogramma bisogna definire il percorso del file, quindi specificare l unità di misura utilizzata per tempi ed accelerazioni all interno del file ed il valore di accelerazione di picco (PGA) che si vuole utilizzare per la scalatura dell accelerogramma (vedi finestra riportata in Fig. 2.9). 12

13 Fig. 2.9 Inserimento accelerogrammi. 13

14 Fig Visualizzazione accelerogrammi di input. N.B. Il fattore di scala (indicato in rosso in Fig. 2.10) può essere interpretato come il rapporto tra la PGA scelta dall utente in fase di inserimento dell accelerogramma ed il valore dell accelerazione di picco del record inserito. Tale valore può essere modificato in qualsiasi momento dall utente. Per comodità di inserimento, qualora fosse necessario, è anche possibile effettuare una selezione multipla (Fig. 2.11) degli accelerogrammi tenendo premuto il tasto Ctrl. In tal caso su tutti gli accelerogrammi selezionati viene effettuato lo stesso processo di scalatura. 14

15 Fig Selezione multipla degli accelerogrammi in fase di caricamento. 15

16 2.5 Curve di decadimento moduli G e D Il modello lineare equivalente, che sta alla base del calcolo, prende in considerazione la variazione del modulo di taglio G e del rapporto di smorzamento viscoso D, con il livello deformativo γ del terreno. Tale caratteristiche devono essere attribuite al singolo strato in funzione della natura dello strato stesso e di opportune prove effettuate su di esso. Cliccando sul pulsante Curve di decadimento è possibile accedere alla finestra rappresentata in figura Fig Finestra di editor curve di decadimento. Cliccando sul pulsante inserisci è possibile creare una nuova curva di decadimento inserendo nelle tabelle in basso a destra i punti che descrivono tali funzioni. N.B. Di default sono già presenti tre curve che fanno riferimento a dei modelli di sottosuolo ben noti in letteratura rispettivamente per sabbie, argille e rocce. 16

17 2.6 Generazione della mesh per modello FEM Definizione punto di controllo Prima di procedere con la generazione della mesh di calcolo è necessario effettuare una scelta sulla posizione del punto ( o dei punti) di controllo. A tale punto, infatti, vengono riferiti tutti i risultati dell analisi in termini di risposta sismica. Con riferimento alla figura 2.13 cliccare sul nodo (1) e poi mettere la spunta su Punto controllo (2) per definire il punto P(3) come punto di controllo. N.B. In un analisi di risposta sismica locale il programma consente di definire più punti di controllo. Fig Posizionamento del punto di controllo. Scelta dei parametri della mesh Si tratta di parametri che definiscono fondamentalmente la tipologia di elemento finito che si vuole utilizzare (triangoli T3, o quadrilateri Q4), la dimensione di tali elementi ed il rapporto di infittimento in corrispondenza dello scavo e del punto di controllo. 17

18 Fig Scelta parametri mesh. Per poter cogliere in maniera più accurata la riposta in corrispondenza del punto di controllo è infatti opportuno ridurre la dimensione degli elementi in corrispondenza di esso. Con riferimento alla figura 2.14 al fine di impostare i parametri per la definizione della mesh, scegliere la Tipologia della mesh (1), il Passo Mesh (2) generale ed il Passo mesh nell intorno del punto di controllo(3). Una volta effettuata una scelta per tali parametri è possibile visualizzare la mesh mediante il pulsante Genera mesh (vedi figura 2.15). 18

19 Fig Mesh con elementi T3 ed infittimento alfa = 0.25 sul punto di controllo. 19

20 2.7 Definizione delle analisi e delle condizioni di carico Per un profilo stratigrafico è possibile condurre più analisi di risposta sismica locale e per ognuna di esse possono essere processate più accelerogrammi. Fig Definizione delle analisi e scelta degli accelerogrammi. L aggiunta di una nuova analisi viene effettuata cliccando sul pulsante Inserisci analisi. Per ogni analisi aggiunta è possibile definire una serie di condizioni di carico per ciascuna delle quali è richiesta la definizione di 2 accelerogrammi, uno per la componente orizzontale del moto (direzione x) ed uno per la direzione verticale (direzione Z). 2.8 Definizione colonne di controllo Il programma consenti di definire una o più colonne di controllo. Con riferimento a ciascuna di esse, il programma restituirà i risultati in termini di spostamenti, velocità, accelerazioni, deformazioni e sforzi. 20

21 Fig Definizione colonna di controllo. 21

22 3. Output dei risultati 3.1 Avvio della calcolazione Completata la fase di input è possibile procedere con l esecuzione del calcolo cliccando sul pulsante rappresentata in figura 3.1. Durante la calcolazione vengono visualizzati: Calcola; apparirà la finestra di dialogo - Il modello FEM (finestra in alto a sinistra); - Lo spettro di risposta riferito al bedrock della condizione che si sta processando (curva ); - Lo spettro di risposta riferito al punto di controllo della condizione che si sta processando (curva alla fine di ogni condizione); - Tempi di calcolo e informazioni sullo stato del modello ad ogni step; - Stato di avanzamento parziale e totale mediante barre d avanzamento. Fig. 3.1 Definizione delle analisi e scelta degli accelerogrammi. 22

23 3.2 Visualizzazione risultati Mediante il pulsante Plot è possibile accedere alla finestra di figura 3.2. Fig. 3.2 Finestra di visualizzazione dei risultati. Da tale ambiente è possibile visualizzare per ogni analisi la risposta del terreno nei vari punti della mesh in termini di spostamenti, velocità accelerazioni, deformazioni e sforzi. Per ottenere i risultati nel dominio del tempo (per esempio gli accelerogrammi) da utilizzare in un analisi al passo con riferimento alla figura 3.3 cliccare sul punto di controllo (1), cliccare quindi su Risultati (2) per attivare la scheda Risultati punto di controllo ; scegliere dai corrispondenti filtri l analisi (3), la combinazione di carico (4), scegliere tempo per ottenere i risultati nel dominio del tempo (5), quindi scegliere il diagramma delle accelerazioni (6), la direzione orizzontale (7). Cliccare sul pulsante Esporta (8) al fine di ottenere i punti del diagramma selezionato. Dalla scheda Scelta unità di misura confermare l unità [sec.] per il tempo e l unità [m/s^2] per l accelerazione e quindi confermare cliccando sul pulsante ok (9). Dalla maschera di salvataggio selezionare il tipo di spettro da esportare, assegnargli un nome e cliccare sul tasto Salva (10) per salvarlo in formato txt. 23

24 Fig. 3.3 Definizione delle analisi e scelta degli accelerogrammi. Per i risultati nel dominio della frequenza (spettro) con riferimento alla figura 3.4, sulla scheda Risultati punto di controllo scegliere dai corrispondenti filtri l analisi (1), la combinazione di carico (2), scegliere frequenza per ottenere i risultati nel dominio della frequenza (3). Cliccare sul pulsante Esporta (4) al fine di ottenere i punti del diagramma selezionato. Dalla scheda Scelta unità di misura confermare l unità [sec.] per il tempo e l unità [m/s^2] per l accelerazione e quindi confermare cliccando sul pulsante ok (5). Dalla maschera di salvataggio selezionare il tipo di spettro da esportare, assegnargli un nome e cliccare sul tasto Salva (6) per salvarlo in formato txt. 24

25 Fig. 3.4 Spettro di risposta elastico secondo NTC Visualizzazione risultati lungo colonna di controllo L ambiente Plot consente la visualizzazione dei risultati dell analisi per la colonna di controllo. il programma restituirà i risultati in termini di spostamenti, velocità, accelerazioni, deformazioni e sforzi. Per ottenere per esempio le accelerazioni lungo X dei punti della colonna di controllo con riferimento alla figura 3.5 cliccare sul filtro accelerazioni e selezionare Accelerazione X. 25

26 Fig. 3.5 Finestra di visualizzazione dei risultati. Selezionare la linguetta Colonna di controllo della finestra di visualizzazione dei risultati per visionare il diagramma delle accelerazioni. Verrà visualizzata il diagramma come riportato in figura 3.6. I diagrammi ottenuti possono essere salvati. Fig. 3.6 Diagramma spostamenti lungo X per colonna di controllo. 26

27 3.4 Generazione Relazione di calcolo Una volta terminate le analisi di risposta sismica locale è possibile, mediante il pulsante Relazione (1), generare la relazione di calcolo. Fig. 3.6 Generazione relazione di calcolo. 27