RISPOSTA SISMICA LOCALE: I PARAMETRI DI OUTPUT

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1 RISPOSTA SISMICA LOCALE: I PARAMETRI DI OUTPUT Par. 4.1 Rappresentazione del moto sismico 4 RISPOSTA SISMICA LOCALE: I PARAMETRI DI OUTPUT Per svolgere correttamente un analisi di risposta sismica locale è importante non solo scegliere il modello più adatto alla complessità della situazione da esaminare, agli obiettivi preposti e alle disponibilità economiche, o reperendo i dati geomorfologici e geotecnici relativi al deposito nel modo più opportuno, ma è anche di fondamentale importanza definire le modalità e i parametri con cui rappresentare il moto sismico superficiale, ottenuto al sito con la modellazione, e il suo rapporto rispetto al segnale sismico di ingresso al deposito. 4.1 RAPPRESENTAZIONE DEL MOTO SISMICO I codici di calcolo comunemente utilizzati consentono di determinare il moto sismico atteso, in superficie e al variare della profondità, lungo la verticale (nel caso di modelli monodimensionali) o lungo le dimensioni della sezione (nel casi di modelli bidimensionali) e di esprimere tale moto in forma completa, nel dominio del tempo (storia temporale delle accelerazioni o delle velocità) e/o delle frequenze (direttamente attraverso lo spettro di Fourier o indirettamente attraverso gli spettri di risposta), o di sintetizzarne il contenuto ricorrendo a parametri sismici (in termini di ampiezza, durata o contenuto in frequenza). Il problema consiste nello stabilire, dato l obiettivo dello studio (microzonazione sismica, taratura o confronto tra modelli, ecc.) quale è la forma migliore con cui rappresentare il moto sismico in superficie per poterlo poi confrontare con quello alla base del deposito e potere quindi quantificare eventuali effetti di amplificazione. Generalmente nel caso di microzonazioni e nelle più diffuse applicazioni ingegneristiche il moto sismico viene sintetizzato in un solo parametro in modo che l amplificazione del deposito si riduca ad un singolo 117

2 RISPOSTA SISMICA LOCALE: I PARAMETRI DI OUTPUT Par. 4.1 Rappresentazione del moto sismico fattore, il cui valore maggiore o minore di uno indichi la presenza di fenomeni amplificativi o di smorzamenti, e la sua entità quantifichi indirettamente l entità di tali fenomeni. Una maniera semplificata per rappresentare il risultato di un analisi di risposta sismica locale e quantificare i fenomeni di amplificazione del deposito consiste nel considerare gli accelerogrammi ottenuti in superficie e quello di riferimento alla base del deposito e di sintetizzarne il contenuto attraverso ad esempio il picco massimo di accelerazione, calcolando il rapporto tra il valore in superficie e alla base (fattore di amplificazione). Se tale rapporto è maggiore di uno è indicativo di fenomeni di amplificazione, altrimenti di fenomeni di attenuazione. Tale fattore ovviamente non tiene conto del contenuto in frequenza del moto sismico e di come sia stato modificato dal deposito. In realtà è molto più corretto rappresentare il segnale sismico superficiale in modo più completo, possibilmente nel campo delle frequenze per evidenziarne il contenuto in frequenza connesso con le proprietà del deposito e soprattutto per analizzare come l amplificazione vari in funzione della frequenza, che è un parametro indispensabile per stimare la risposta dei vari tipi di strutture ad un possibile evento sismico. Ad esempio si può considerare la funzione di trasferimento del deposito (introdotta nel Capitolo precedente), o meglio, facendo riferimento alle sole ampiezze, la funzione di amplificazione, intesa come rapporto tra le ampiezze degli spettri di Fourier in superficie e alla base del deposito, nell ipotesi di substrato infinitamente rigido, o su affioramento della formazione di base, nell ipotesi di substrato deformabile. Tale funzione fornisce non solo informazioni sulla massima amplificazione attendibile e sulla frequenza corrispondente, ma anche sui valori di amplificazione o di attenuazione relativi ai campi di frequenza di interesse. Ancora più diffuso, soprattutto per la loro utilità nel campo ingegneristico, è il confronto effettuato in termini di spettro di risposta, che può essere eventualmente sintetizzato con un solo parametro, per esempio l intensità spettrale di Housner, il potenziale distruttivo, l intensità di Arias, ecc.. A questo punto può essere utile vedere come le varie normative nazionali e sovranazionali (ad esempio l Eurocodice), affrontano il problema della considerazione degli effetti amplificativi e quali sono i parametri che risposta sismica locale e quali sono i parametri che utilizzano per quantificare l amplificazione. 118

3 4.2 NORMATIVE ANTISISMICHE Le normative per la progettazione antisismica delle opere di ingegneria civile si propongono, tra i vari obiettivi, quello di assicurare un livello minimo di protezione per la realizzazione di opere e infrastrutture nelle aree sismiche, in funzione del loro grado di esposizione all evento sismico atteso in un prefissato intervallo di tempo. Gli elementi più interessanti da un punto di vista strettamente geotecnico, anche relativamente ai problemi di risposta sismica locale, riguardano la definizione dell azione sismica di progetto e le raccomandazioni per la progettazione di opere geotecniche, con riferimento alle fondazione, alle opere di sostegno, ecc L azione sismica di progetto La definizione dell azione sismica di progetto costituisce l elemento centrale di ogni normativa per la progettazione antisismica e si traduce nella definizione dei carichi dinamici dovuti all azione sismica, che agiscono sulla struttura di progetto in aggiunta ai carichi statici preesistenti, e nella rappresentazione del loro contenuto in frequenza come spettro di risposta elastico, su roccia o terreno duro di riferimento, o come spettro di progetto relativo ad una struttura con assegnate caratteristiche di duttilità (generalmente espressi in termini di accelerazione). Tale operazione, per quanto visto sui fenomeni di modificazione locale del segnale sismico connessi alle caratteristiche del sito, non può prescindere dalla considerazione delle caratteristiche geomorfologiche e geotecniche del sito e dalla sismicità storica regionale. D altra parte una normativa, dovendo fornire a livello nazionale delle indicazioni generali minime di sicurezza che fissino il livello di protezione sismica da garantire alla collettività e dovendo soprattutto conservare una semplicità e un essenzialità che ne consentano una rapida applicazione, non può considerare tutte le possibili situazioni locali né prevedere la definizione per ciascun sito di un terremoto di progetto, operazione generalmente complessa e spesso soggettiva. Ciò significa che nelle normative l azione sismica di progetto viene generalmente quantificata in termini volutamente semplificati (nel domino delle frequenza come spettro di risposta elastico di progetto), in alcuni casi anche a prescindere da considerazioni statistiche o da analisi di pericolosità sismica, mentre il sito e la sua influenza sull azione sismica vengono tenuti in conto in maniera molto semplificata differenziando lo spettro in funzione del tipo di terreno (classificato secondo categorie) o introducendo un opportuno coefficiente di fondazione (come avviene nella normativa italiana). 119

4 Lo spettro di risposta elastico prescritto dalle normative per definire l azione sismica da adottare nella progettazione antisismica è caratterizzato da un valore massimo, di solito correlato a considerazioni sulla sismicità dell area considerata (e al massimo scuotimento fissato o atteso, cioè determinato con criteri probabilistici) e da una forma (spettro di progetto normalizzato) generalmente regolarizzata (caratterizzata cioè da un gradino orizzontale e da un tratto iniziale ascendente e da uno finale che tende asintoticamente a 0). Tale spettro, normalizzato rispetto alla massima accelerazione, a periodo 0, viene di solito ricavato come inviluppo o valore medio mediante analisi statistiche condotte su una serie di spettri, opportunamente regolarizzati, ricavati elaborando gli accelerogrammi di eventi diversi registrati su siti con differenti caratteristiche geotecniche (roccia, terreno duro depositi con materiali più o meno sciolti, ecc.). Uno dei primi esempi, diventato anche un riferimento scientifico per altri ricerche condotte nello stesso campo, è lo studio condotto da Seed et al. (1976) su 104 registrazioni relative a 23 eventi verificatisi in Turchia, Giappone e Stati Uniti. Da un analisi statistica degli spettri, classificati in base alla caratteristiche geotecniche dei terreni costituenti i siti di registrazione secondo quattro categorie principali (roccia, depositi di terreni consistenti, depositi di terreni incoerenti profondi e depositi di terreni incoerenti sciolti e coesivi di consistenza medio-bassa) sono stati ricavati per ciascuna classe gli spettri medi (riportati in Figura 4.1 in forma normalizzata rispetto all accelerazione di picco in superficie a max ). Dallo studio di questi spettri medi normalizzati si può osservare come i terreni più duri e consistenti presentino un picco di amplificazione ben delineato nel campo delle alte frequenze (periodi inferiori a 0.5 s), mentre passando a terreni progressivamente meno consistenti tale picco si appiattisce e si sposta nel campo delle basse frequenze (periodi maggiori di 1 s), per cui i terreni meno consistenti amplificano meno rispetto a quello più rigidi ma su un intervallo di frequenze più ampio e spostato verso valori medio-bassi. Queste e altre considerazioni relative a ricerche analoghe sono poi state recepite dalle varie normative per delineare lo spettro di progetto La Normativa italiana La Normativa italiana attualmente in vigore per le costruzioni in zona sismica, nonostante le successive modifiche e integrazioni (D.M. 19/6/1984; D.M. 16/01/96) conserva la filosofia e l impianto introdotto nella sua prima versione (L. 2/2/1974, n. 64 e D.M. 3/3/1975), dove per definire l azione sismica, in termini di forze statiche equivalenti (per analisi 120

5 pseudo-statiche) o di spettro di progetto (per analisi dinamiche), si utilizza il coefficiente di intensità sismica C: C = S (Eq. 4.1) espresso in funzione del grado di sismicità dell area considerata, S, che può assumere valori pari a 12, 9 e 6 rispettivamente per le zone di 1 a, 2 a e 3 a categoria, in cui è stato suddiviso il territorio nazionale e a cui corrispondono differenti livelli di pericolosità sismica (Tabella 4.1). 4 Accelerazione spettrale Accelerazione massima Depositi di terreni coesivi di consistenza medio-bassa e incoerenti sciolti -15 records- Depositi di terreni incoerenti profondi (profondità > 250 ft) -30 records- Depositi di terreni consistenti (profondità < 200 ft) -31 records- Roccia -28 records Periodo [s] Figura Spettri di risposta normalizzati medi, ricavati per differenti categorie di terreni sulla base di registrazioni sperimentali (Seed et al. 1976) Tabella Categorie sismiche previste dalla Normativa italiana Categoria Grado di sismicità S Coefficiente di intensità sismica C I II III R = 1 Coefficiente di risposta R R = 0, 862 T 23 / per per T 08. s T > 08. s Il coefficiente d intensità sismica C, così come il grado di sismicità S, definiscono il livello di sismicità dell area considerata, anche se costituiscono una misura puramente qualitativa e convenzionale dell intensità dello 121

6 scuotimento sismico atteso al sito, sia perché non correlabile ad un parametro del moto sismico che costituisca una misura fisica di tale scuotimento (picco d accelerazione massimo, massima ampiezza dello spettro di risposta elastico, ecc.) e sia perché non riferito ad un assegnato periodo di ritorno e quindi ad un evento atteso. Lo spettro di progetto, in termini di accelerazione, (riportato in forma normalizzato per le differenti categorie in Figura 4.2), è così definito: a/ g = C R( T) 1 (Eq. 4.2) dove a è l accelerazione spettrale, g l accelerazione di gravità, C il coefficiente d intensità sismica (che quindi definisce l intensità massima dello spettro in relazione alla sismicità del sito considerato, cioè il fattore di scala dello spettro), R è il coefficiente di risposta (che definisce lo spettro di risposta normalizzato, cioè la forma dello spettro di risposta, indicando come l azione sismica varia col periodo della struttura T) ed è definito dalla relazione: R = 1 per T 08. s (Eq. 4.3) 23 / R = 0862, T per T > 08. s Il coefficiente di risposta R(T) è stato ricavato, adottando un criterio cautelativo, come inviluppo di un gran numero di spettri relativi a registrazioni di numerosi eventi californiani e giapponesi (di magnitudo elevata e comunque superiore a quella degli eventi che caratterizzano solitamente il territorio nazionale) su differenti tipi di terreno (dalla roccia e i terreni più rigidi ai depositi di materiale più sciolto) senza operare una distinzione tra i vari tipi di terreno. Il risultato che ne consegue è uno spettro di progetto indistinto che, seppure ricavato con criteri cautelativi, non solo non riflette le caratteristiche specifiche dei siti italiani, ma non si può neanche adottare come spettro relativo a un terreno rigido di riferimento, anzi l ampio intervallo di periodi in cui si concentra l amplificazione massima più spostato nel campo delle basse frequenza fa pensare ad una forma spettrale tipica di terreni soffici e comunque non adatta a rappresentare un terremoto di riferimento su terreno rigido. Inoltre non essendo specificata la categoria di strutture per le quali lo spettro di progetto è stato definito (e quindi il corrispondente coefficiente di duttilità) è particolarmente difficile ricavare il corrispondente spettro di riposta elastico. In ogni caso, sulla base di confronti numerici sperimentali, è stato stimato un fattore di conversione tra spettro di risposta elastico (con 1 Nell ultima versione della Normativa (D.M. 16/01/96) è stato introdotto un ulteriore fattore moltiplicativo I, detto coeffciente di protezione sismica e variabile tra 1 e

7 smorzamento strutturale del 5%) e spettro di progetto previsto dalla Normativa italiana, pari a Accelerazione spettrale [g] I Categoria II Categoria III categoria Periodo [s] Figura 4.2 Spettri di progetto previsti dalla Normativa antisismica italiana corrispondenti alla tre differenti categorie sismiche di cui alla Tabella 4.1. A differenza di altre normative (secondo le tendenze e gli sviluppi più recenti) in cui il ruolo del terreno nella modifica delle ordinate e della forma spettrale viene considerato differenziando lo spettro in funzione del tipo di terreno, nella Normativa italiana l amplificazione dell azione sismica connessa ai fenomeni amplificativi (che si verificano soprattutto nei terreni soffici) viene considerata moltiplicando lo spettro per un coefficiente di fondazione ε, che di regola viene assunto pari ad 1 e portato fino ad 1.3 in presenza di stratigrafie particolari, caratterizzate da depositi alluvionali di spessore variabile tra 5 e 20 m, sovrastanti terreni coesivi o litoidi con migliori caratteristiche meccaniche. A questo proposito occorre osservare che una procedura di questo tipo che consiste nell inglobare gli effetti dell amplificazione del moto sismico attraverso un semplice incremento delle ordinate spettrali risulta troppo semplicistica, così come troppo vaghe sono le indicazioni fornite circa i valori da attribuire a tale coefficiente, soprattutto in riferimento a quelle situazioni stratigrafiche intermedie rispetto a quelle prevista dalla normativa. 123

8 In definitiva si può dire che la normativa italiana sembra non avere recepito i risultati degli ultimi venti anni di ricerca condotti nel nostro paese e nel resto del mondo nel campo sismico, geofisico e geotecnico e risulta meno aggiornata di altre normative (come quella francese o americana) soprattutto nel campo delle definizione dell azione sismica di progetto e della valutazione degli effetti di sito. Infatti, oltre ad ignorare completamente il concetto di microzonazione sismica e, nello studio della risposta sismica locale, i problemi di amplificazione connessi alla geometria del deposito (effetti di bordo e effetti topografici), risulta lacunosa sia nella definizione del livello massimo di sismicità (non direttamente correlato a parametri caratteristici dello scuotimento sismico, né espresso in termini probabilistici), sia nella definizione della forma dello spettro di progetto, (non attribuibile ad un terreno duro di riferimento né differenziato in funzione delle caratteristiche geotecniche del terreno per tenere conto degli effetti di sito). A parziale discolpa del legislatore occorre dire che è convinzione generale che gli strumenti per le previsione degli effetti di sito e per la realizzazione di progetti di microzonazione sismica non debbano essere contenuti in una normativa per le costruzioni su scala nazionale, inoltre in Italia, come in altri paesi europei, la necessità e l attesa per l applicazione di una normativa unificata a livello europeo (Eurocodice) ha reso meno impellente l esigenza di una revisione completa della normativa nazionale che è stato solo parzialmente integrata e modificata conservando sempre il suo impianto originale, che risale ai primi anni 70, quando le conoscenze sui problemi di amplificazione del moto sismico erano ancora frammentarie e la disponibilità di registrazioni accelerometriche di eventi italiani significativi, per una migliore definizione dell azione sismica di progetto, era assai limitata L Eurocodice 8 I maggiori limiti insiti nella normativa italiana sono stati superati dall Eurocodice 8, che definisce i criteri per la progettazione e la costruzione di edifici e strutture in zona sismica per i Paesi membri della Comunità Europea. Tale normativa ha recepito i principali risultati delle maggiori ricerche condotte a livello europeo e mondiale cercando di affrontare e superare le problematiche poste nella formulazione e nella successiva applicazione delle normative nazionali. Il tema della valutazione degli effetti locali viene in particolare affrontato nella Parte 1-1 dell Eurocodice 8, che fornisce gli strumenti e i criteri per la definizione dell azione sismica di progetto ( tale da 124

9 salvaguardare le vite umane, limitare i danni e mantenere la funzionalità delle strutture esistenti ) e nella Parte 5 dell Eurocodice 7, relativa alla progettazione geotecnica delle fondazioni e opere di sostegno. Per definire il livello dell azione sismica l Eurocodice 8 stabilisce che ciascuna nazione suddivida il proprio territorio in aree omogenee (zone sismiche) in funzione della pericolosità sismica locale definita in termini di accelerazione massima attesa in superficie su terreno rigido di riferimento, a g (design ground acceleration). Per quanto riguarda invece la forma dello spettro di risposta elastico (che va moltiplicata per l'accelerazione massima attesa per ottenere lo spettro di risposta elastico) essa viene distinta in funzione delle caratteristiche geotecniche locali, classificate secondo tre categorie principali (A, B e C); per cui l influenza sull azione sismica di progetto delle condizioni locali (legate per il momento solo alle caratteristiche dinamiche del sottosuolo e non ad effetti topografici o di bordo del deposito) viene considerata adottando tre tipi di spettro corrispondenti a tre differenti tipi di terreno. L espressione analitica generale dello spettro di risposta elastico, R e (T), è: T Re( T) = ag S 1+ ( ηβ 1) per 0 = TA T TB 0 TB ( ) R T = a S η β e g TC Re( T) = ag S η β0 T 0 K1 K K per T T T per T T T TC TD Re( T) = ag S 1 2 TD η β0 T per TD T dove T B, T C e T D sono i parametri che definiscono la forma dello spettro (ampiezza del gradino orizzontale e inclinazione del tratto iniziale e finale) in funzione del tipo di terreno, β 0 il valore massimo dello spettro normalizzato corrispondente al gradino orizzontale (uguale per tutti i tipi di terreno), K 1 e K 2 i parametri che definiscono l andamento dello spettro per i periodi elevati (superiori a T C e T D ), indipendenti dal tipo di terreno, S un parametro caratteristico del terreno (assunto pari ad 1 per i terreni più rigidi della categoria A e B e leggermente inferiore, 0.9, per i terreni più soffici della categoria C per tenere conto degli effetti della non linearità) ed η un fattore di correzione dello smorzamento strutturale ξ (espresso in percentuale) pari a: [7/(2 + ξ)] I valori dei parametri corrispondenti a ciascuna categoria di terreno e una caratterizzazione delle varie categorie con una descrizione generale e B C C D (Eq. 4.4) 125

10 l indicazione di un campo di variazione della velocità delle onde S, sono riportati in Tabella 4.2 e 4.3. Mentre in Figura 4.3 sono riportati, in forma normalizzata, gli spettri di risposta elastici (per uno smorzamento strutturale ξ del 5%) corrispondenti a ciascuna categoria di terreno, e in Figura 4.4 i corrispondenti profili indicativi della velocità delle onde S. Tabella 4.2- Valori dei parametri che compaiono nell espressione dello spettro di risposta elastico stabiliti dall Eurocodice 8 per ciascuna categoria di terreno. Classe S β 0 k 1 k 2 T B T C T D η A B ξ C Tabella 4.3 Classificazione dei terreni secondo l Eurocodice 8 Classe Descrizione Profondità [m] Vs [m/s] Roccia lapidea, copertura di spessore < 5 m di terreni sciolti qualsiasi 800 A Terreni addensati (a gran fine o grossa) di spessore di alcune decine di m, e con 10 miglioramento delle caratteristiche meccaniche 400 con la profondità B Depositi profondi mediamente densi/consistenti con spessori che vanno da decine a centinaia di m Terreni a grana grossa sciolti con eventuali C intercalazioni di fini < 20 < 200 Depositi a grana fine di consistenza medio-bassa < 20 < 200 Dall esame di Figura 4.3 si può osservare come passando progressivamente da terreni più rigidi a terreni più soffici il plateau corrispondente ad accelerazione spettrale massima costante aumenta di ampiezza e si sposta verso periodi più elevati e in particolare, per i terreni meno resistenti della categoria C si abbassa, per gli effetti dovuti alla non linearità del comportamento. Una volta che le autorità nazionali hanno fissato, per una data zona, il valore dell accelerazione massima di progetto su roccia, a g, è possibile quindi ricavare gli spettri di risposta elastici, per le varie categorie. 126

11 5 Accelerazione spettrale normalizzata Accelerazione spettrale normalizzata Classe A Classe B Classe C Periodo [s] Figura 4.3 Spettri di risposta elastici normalizzati stabiliti dall Eurocodice 8 per le varie categorie di terreni descritte in Tabella Velocità delle onde di taglio V [m/s] s Profondità [m] CLASSE C Terreno sciolto/tenero CLASSE B Terreno mediamente addensato CLASSE A2 Terreno addensato/consistente CLASSE A CLASSE A1 Roccia 50 Figura 4.4 Profili indicativi di V s per le varie categorie di sottosuoli previste dall Eurocodice 8 (Faccioli, 1996) 127

12 Lo spettro definito dall Eurocodice 8, essendo determinato in regime elastico lineare, risulta utile più per caratterizzare un deposito e le sue proprietà amplificative per studi di risposta sismica locale e di microzonazione sismica, che per prevedere il comportamento delle strutture in corrispondenza di un terremoto di riferimento, le quali generalmente esibiscono (soprattutto quando le azioni sismiche superano una certa intensità) un comportamento non lineare e una risposta che è generalmente inferiore a quella determinata in campo lineare. Per tali motivi, ai fini della progettazione, l Eurocodice 8 introduce anche uno spettro di risposta anelastico (denominato spettro di progetto) determinato a partire da quello elastico, per le varie categorie di terreno, introducendo un fattore di comportamento q. Qualora sia necessario disporre dell azione sismica nel dominio del tempo (come accelerogrammi ad esempio) piuttosto che in quello delle frequenze, la normativa prevede l uso di registrazioni o l elaborazione di accelerogrammi sintetici il cui spettro eguagli quello elastico di progetto e la cui durata sia commisurata all intensità del sisma (espressa ad esempio dal picco massimo d accelerazione). Infine occorre ricordare che l Eurocodice 8, oltre a considerare gli effetti del tipo di terreno sul moto sismico in superficie e a citare espressamente il problema della risposta sismica locale, indica anche quali sono i casi in cui si ritengono necessarie indagini di approfondimento sull amplificazione del moto sismico: strati superficiali di spessore limitato (da 5 a 20 m) poggianti su materiali di elevata rigidezza, appartenente alla classe A, e caratterizzati da elevate amplificazioni a bassi periodi; depositi di elevato spessore e costituiti da materiale ad elevato indice di plasticità (I p > 40). Inoltre, nella definizione dell azione sismica, vengono considerati anche gli effetti legati alla geometria del deposito e in particolare gli effetti topografici, che vengono considerati per profili topografici irregolari caratterizzati da pendii con inclinazioni superiori ai 15. Per tenere conto di tali effetti il parametro S che compare nell espressione dello spettro di risposta elastico, (Eq. 4.4), viene incrementato a valori compresi tra 1.2 e 1.6 in funzione dell angolo d inclinazione del pendio e della natura dei terreni (presenza di strati di terreno sciolto con spessori superiori ai 5 m) e eventualmente fatto variare lungo i fianchi del rilievo in maniera decrescente a partire dalla vetta fino alla base (a cui si attribuisce valore unitario) per tenere conto della variazione spaziale dell amplificazione topografica. 128

13 4.2.4 Altre normative In maniera analoga a quanto già visto nell Eurocodice 8, anche altre normative nazionali, avevano già precedentemente affrontato il problema della modificazione locale delle azioni sismiche di progetto con la natura dei terreni e le loro proprietà geotecniche in campo dinamico. Ad esempio già nel 1978 l Applied Technology Council degli Stati Uniti distingue lo spettro di risposta elastico normalizzato in relazione alla natura geotecnica del terreno (Figura 4.5), classificabile secondo tre grandi categorie in terreno roccioso o duro (A), intermedio (B) e soffice (C). 3 Accelerazione spettrale normalizzata Accelerazione spettrale normalizzata 2 1 S1 S2 S Periodo [s] Figura 4.5 Spettri di risposta normalizzati previsti dall Applied technology Council degli Stati Uniti per tre differenti categorie di terreni (ATC, 1978) Più recentemente, la Normativa francese (PS 92, 1992) sembra essere quella che ha meglio recepito sia le indicazioni fornite dalle direttive europee (per quanto riguarda la definizione del moto sismico di progetto), sia i risultati di numerosi studi effettuati sulla la stabilità dei pendii e la liquefazione (per quanto riguarda le problematiche legate alle fondazioni delle strutture). In particolare è prevista la suddivisione del territorio nazionale in zone sismiche, ciascuna delle quali ripartita in classi di rischio, a cui viene 129

14 associato un differente valore di accelerazione massima di riferimento a N (accelerazione nominale), come indicato in Tabella 4.4. Tabella 4.4 Accelerazione nominale (espressa in m/s 2 ) per le differenti zone sismiche e classi di rischio previste dalla Normativa francese Zone sismiche Classi di rischio A B C D 0 / / / / Ia / Ib / II / III / Nella definizione dello spettro di risposta elastico vengono distinti gli effetti di amplificazione, rispetto ad un sito di riferimento su roccia affiorante, legati alle proprietà geotecniche dinamiche del deposito dagli effetti legati alla topografia, esprimendo la funzione spettrale come prodotto tra l accelerazione nominale a N, lo spettro di risposta normalizzato R D (T), dipendente dalla natura geotecnica del terreno, un coefficiente τ legato alla topografia e un fattore di correzione ρ dello smorzamento strutturale ξ (che consente di ottenere lo spettro di risposta elastico per valori di ξ diversi dal 5%): RT ( ) = an RD( T) ρ τ (Eq. 4.5) I terreni vengono distinti dalla roccia intatta e raggruppati in tre categorie (gruppo A, B e C) e ne vengono indicate le proprietà in funzione dei parametri fisico-meccanici deducibili da prove indice o da prove geotecniche eseguite in campo statico e in funzione dei valori di velocità delle onde S, V S (Tabella 4.5). Quindi, come riportato in Tabella 4.6, vengono associate a varie situazioni stratigrafiche ottenute a partire da tali gruppi di terreno, quattro differenti gli spettri di risposta normalizzati R D (T) (S 0, S 1, S 2 e S 3 ). L equazione generale dello spettro di risposta normalizzato è la seguente: 130

15 ( ) R T = R e M TC Re( T) = RM T TC Re( T) = RM TD 23 / 23 / 5/ 3 TD T per 0 T T per T T T C per T T D C D (Eq. 4.6) e i valori dei parametri R M, T C e T D per i vari tipi di sito sono riportati in Tabella 4.7, mentre la forma degli spettri corrispondenti è riportata in Figura 4.6. Tabella 4.5 Parametri per l identificazione delle categorie di terreni previste dalla Normativa francese Tipo di terreno Prova CPT q c [MPa] Prova SPT Pressiometro N SPT Modulo Pressione limite [Mpa] Compr. semplice Resistenza [Mpa] D R [%] Cc V S [m/s] Sotto falda V P [m/s] Sopra falda Rocce Gruppo A Terreni con resistenza meccanica da buona a molto buona Gruppo B Terreni con resistenza meccanica media Gruppo C Terreni di scarsa resistenza meccanica Rocce sane e gessi duri > 100 > 5 > 10 > 800 >2500 Terreni granulari compatti > 15 > 30 > 20 > 2 > 60 >1800 > 800 Terreni coesivi (argille o marne > 400 < dure) > 5 > 25 > 2 > >1800 Rocce alterate o fratturate Terreni granulari mediamente compatti Terreni coesivi mediamente consistenti e gessi teneri Terreni granulari sciolti Terreni coesivi molli (argille molli) e gessi alterati da 5 a 15 da 1.5 a 5 da 10 a 30 da 50 a 100 da 2.5 a 5 da 1 a 10 da 6 a 20 da 1 a 2 da 5 a 25 da 0.5 a 2 da 0.1 a 0.4 da 40 a 60 < 5 < 10 < 6 < 1 < 40 < 1.5 < 2 < 5 < 0.5 < 0.1 da 0.02 a 0.10 >0. 1 da 300 a 800 da 1500 a 1800 da 400 a 2500 da 500 a 800 da 150 a 400 da 1000 a 1800 < 150 <1500 <

16 Tabella 4.6 Profili stratigrafici e relativi spettri previsti dalla Normativa francese Roccia Deposito h < 15 h> 15 h < 15 15<h<50 h< 10 h>50 10<h<100 0 A A B B C B C Sito di riferimento 50 { S 0 { S 1 { { Tabella 4.7 Valori dei parametri utilizzati negli spettri proposti dalla Normativa francese per i vari tipi di sito riportati in Tabella 4.6 S 2 S 3 60 h [m] Tipo di sito R M T B T C T D S S S S Il fattore di correzione ρ dello smorzamento strutturale ξ (espresso in %) risulta pari a (5/ξ) 0.4. Il fattore di amplificazione topografica τ, applicabile in presenza di discontinuità topografiche del tipo riportate in Figura 4.7, caratterizzate da un pendio di altezza H ( 10 m) con due tratti di pendenza I e i (con i I/3), risulta paria a: 132

17 5 Accelerazione spettrale normalizzata Accelerazione spettrale normalizzata 4 S0 S1 3 S2 S Periodo [s] Figura 4.6 Spettri di risposta elastici proposti dalla Normativa francese per i vari tipi di sito caratterizzati in Tabella 4.6 e 4.7 τ = 1 per I i 0.40 τ = (I i - 0.4) per 0.40 I i 0.90 (Eq. 4.7) τ = 1.4 per 0.90 I i e viene fatto variare linearmente da 1 fino al valore massimo procedendo dalle estremità del pendio (A, a valle del pendio e D, a monte) fino al punto di maggiore discontinuità (C procedendo da valle e B da monte). La posizione dei punti A, B e D rispetto al punto C di maggiore discontinuità è individuato rispettivamente dalla lunghezze a, b e c (riportate in Figura 4.7), e assunte paria a: 20 I H H b = min ; a = ; c = (Eq. 4.8) H

18 C B 1 i D H A 1 I τ 1 1 a b c Figura 4.7 Schema geometrico adottato per la definizione del fattore di amplificazione topografica nella Normativa francese. Una volta recepita la necessità di modificare la forma dello spettro di risposta elastico normalizzato in funzione del tipo di terreno per considerare gli effetti dell amplificazione legati alla natura geotecnica dei terreni che costituiscono un deposito, piuttosto che introdurre un coefficiente moltiplicativo come avviene nella normativa italiana, il problema consiste nella classificazione dei terreni e nella forma da associare a ciascuno di essi, soprattutto nel caso dei terreni più soffici per i quali più significativi sono i fenomeni di non linearità. Il rischio è che gli spettri ottenuti da registrazioni sperimentali o calcolati dall applicazione di modelli, non siano neanche confrontabili, soprattutto per determinati siti, con quelli stabiliti dalle normative, che richiederebbero dunque un continuo aggiornamento sulla base dei più recenti studi sull argomento (ad esempio l amplificazione dovuta a terreni soffici sembra essere sottostimata dall Eurocodice, Maugeri et al., 1997). È anche vero che tale aggiornamento dovrà essere finalizzato alla definizione di uno spettro il più cautelativo possibile per ciascun tipo di terreno rispetto al maggior numero di situazioni geotecniche indagate e non potrà comprendere l esame di tutte le possibili situazioni reali, che invece, soprattutto in riferimento ai siti ritenuti più importanti dal punto di vista della pericolosità sismica, dovranno essere esaminate ricorrendo a specifiche indagini di microzonazione sismica. 134