Microzonazione sismica

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI FIRENZE DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE e AMBIENTALE Sezione Geotecnica Microzonazione sismica Prof. Ing. Claudia Madiai Ing. Elisa Gargini

2 Strumenti di mitigazione del rischio sismico Scale di indagine, obiettivi SCALA NAZIONALE Stato (criteri) e Regioni ZONAZIONE SISMICA Suddivisione del territorio nazionale in zone a diversa pericolosità sismica di base SCALA LOCALE Enti locali (Comuni e Province) MICROZONAZIONE SISMICA Suddivisione di una data area in sottozone caratterizzate da un comportamento sismico omogeneo, ovvero a pari pericolosità sismica locale SCALA DI MANUFATTO Professionisti PROGETTAZIONE ANTISISMICA Si considerano le azioni sismiche sul manufatto, inclusa l interazione terreno-struttura 2

3 Strumenti di mitigazione del rischio sismico Documenti di riferimento ed elaborati Mappe di pericolosità sismica Carte di microzonazione sismica Zonazione sismica (ZS) (scala nazionale) (Norme nazionali) Microzonazione sismica (MZS) (scala locale) (Linee guida) Elaborati progettuali Progettazione antisismica (scala di manufatto) (Norme nazionali e Linee guida) 3

4 Valutazione della pericolosità sismica a scala nazionale Pericolosità sismica di base = moto sismico al sito nelle condizioni ideali di terreno duro e pianeggiante La pericolosità sismica di base dipende da: - caratteristiche della sorgente (M) - cammino di propagazione (R) Ne consegue che: il danneggiamento al sito varia regolarmente con la distanza il parametro di scuotimento è espresso da leggi di attenuazione del tipo: y = f (M, R) M = Magnitudo R = Distanza (dalla sorgente o dall epicentro) Sito 0 (collasso) M Sito 1 (danno grave) R Sito 2 (danno lieve) Sito 3 (nessun danno) L operazione scientifica che consente di definire lo scuotimento nelle varie zone di un paese è la Zonazione sismica (ZS) 4

5 Valutazione della pericolosità sismica a scala locale Pericolosità sismica locale = moto sismico al sito nelle sue condizioni effettive La pericolosità sismica locale dipende da: - caratteristiche della sorgente - cammino di propagazione - condizioni del sito Sito 0 (danno medio) Ne consegue che: il danneggiamento al sito varia in maniera irregolare con la distanza lo scuotimento al sito viene definito mediante studi di risposta sismica locale (RSL) Sito 1 (collasso) Sito 2 (nessun danno) Sito 3 (danno grave) L operazione scientifica che consente di definire lo scuotimento a livello locale e le condizioni di stabilità sismiche del territorio è la Microzonazione sismica (MZS) 5

6 Valutazione della pericolosità sismica e della vulnerabilità sismica a scala di manufatto La sicurezza di un opera in condizioni sismiche dipende da: - caratteristiche della sorgente - cammino di propagazione - condizioni del sito - caratteristiche del terreno di fondazione - caratteristiche strutturali dell opera Ne consegue che: per la progettazione strutturale occorre valutare, oltre alla risposta del sito, anche l interazione terreno-struttura, ovvero la risposta della struttura alle sollecitazioni sismiche in arrivo, influenzate dalla sua presenza. 6

7 Definizioni Questo equivale a dire con un dato periodo di ritorno VR Cu VN TR = = ln(1 P ) ln(1 P ) Cu = classe d uso V N = vita nominale V R V R Pericolosità sismica (in senso stretto) (P): entità dei parametri rappresentativi del moto sismico atteso in un dato sito, in un prefissato periodo di tempo e con una data probabilità di superamento Vulnerabilità (V): risposta di un manufatto all azione sismica legata alle sue caratteristiche strutturali Esposizione (E): perdita in termini di vite umane, valore economico, ecc. Rischio sismico (R): prodotto di pericolosità P, vulnerabilità V ed esposizione E R = P x V x E 7

8 Definizione di Microzonazione Sismica (MZS) Microzonazione Sismica : operazione di suddivisione di una data area in zone aventi diversa risposta ad un terremoto assunto come riferimento, distinguendo: 1) Zone sismicamente stabili effetti di sito 2) Zone sismicamente instabili per: instabilità dei pendii liquefazione di depositi superficiali cedimenti per densificazione dei terreni granulari subsidenza dei terreni argillosi soffici cedimenti differenziali dovuti a discontinuità o eterogeneità presenza di faglie attive effetti locali 8

9 Obiettivi di uno studio di Microzonazione Sismica Obiettivi generali identificare le aree a differente rischio sismico per una corretta pianificazione urbanistica del territorio stimare le risposte dei terreni presenti nel territorio ai fini della progettazione antisimica di strutture e infrastrutture in modo adeguato alla reale pericolosità sismica del sito Obiettivi specifici per le aree potenzialmente instabili : perimetrazione delle zone critiche e quantificazione del rischio per le aree stabili : stima degli effetti di sito in termini di spettri di risposta o di altri parametri significativi 9

10 ZS Analisi dei dati storici Studi di geologia regionale Fasi di uno studio di MZS Studi sismologici Rilevamenti geologici Indagini geofisiche Indagini geotecniche 1. Definizione della pericolosità di base (moto di riferimento su terreno duro pianeggiante) 2. Ricostruzione del modello del sottosuolo 3. Analisi della pericolosità sismica locale Terreni instabili: analisi delle condizioni critiche Terreni stabili: valutazione della risposta sismica locale Microzonazione (identificazione delle aree a comportamento sismico omogeneo) 10

11 1. Definizione del moto sismico di riferimento Si articola nei seguenti passi: 1. Analisi della pericolosità sismica di base con metodi deterministici o probabilistici e definizione dei principali parametri della sismicità (magnitudo, distanza dalla faglia, ecc.) e dello spettro di risposta del terremoto di riferimento su terreno duro e pianeggiante N.B. Per tutti i comuni del territorio italiano lo spettro di risposta atteso su terreno duro e pianeggiante è indicato dalle NTC08 (sito INGV o CSLP) 2. Selezione da catalogo (online) di un certo numero di terremoti aventi caratteristiche e spettri simili a quello assegnato 3. Controllo di conformità dello spettro assegnato con quelli dei terremoti selezionati 11

12 2. Ricostruzione del modello del sottosuolo Per la ricostruzione del modello del sottosuolo sono richieste competenze nell ambito di diverse discipline mirate a ottenere le seguenti informazioni: Geologia 1. morfologia (superficiale e sepolta) 2. unità litologiche e stratigrafiche, spessore delle coperture 3. livelli di falda Geofisica 1. delimitazione delle zone a differente risposta mediante analisi strumentali 2. misura della velocità delle onde sismiche mediante metodi di superficie (rifrazione, SASW, ecc.) Geotecnica 1. pre-identificazione dei terreni sismicamente stabili e instabili con metodi approssimati 2. caratterizzazione dei terreni in condizioni di sollecitazione statiche e dinamiche 3. studio di correlazioni empiriche tra parametri statici e dinamici (es. V s = f(q c )) 12

13 2. Ricostruzione del modello del sottosuolo Indagini geotecniche finalizzate ad uno studio di MZS 1. Indagini geotecniche in sito di tipo corrente (sondaggi, SPT, CPT, DMT, ecc.) 2. Indagini geofisiche in sito per la misura dei parametri dinamici (CH, DH, SASW, cono sismico, dilatometro sismico, ecc., P-S velocity suspension logging, ecc.) 3. Prove di laboratorio di tipo corrente (prove di classificazione, edometriche, ELL, triassiali convenzionali, taglio diretto, ecc.) 4. Prove dinamiche di laboratorio adeguate allo scenario sismico atteso (prove di colonna risonante, taglio torsionale ciclico, triassiali cicliche, taglio semplice ciclico, ecc.) E da sottolineare che il peso delle indagini geotecniche è: inversamente proporzionale all estensione dell area di indagine direttamente proporzionale: - al livello di approfondimento - alla complessità delle procedure di valutazione della pericolosità locale 13

14 3. Analisi della pericolosità sismica locale Terreni instabili: analisi delle condizioni critiche per - instabilità dei pendii - liquefazione - densificazione - subsidenza - presenza di cavità, ecc. Terreni stabili: valutazione degli effetti amplificativi È da osservare che: le metodologie di valutazione della pericolosità sismica locale variano al variare della scala e del livello di approfondimento le carte di microzonazione corrispondenti ai diversi livelli hanno perciò differenti livelli di affidabilità e devono essere usate per raggiungere obiettivi specifici 14

15 MICROZONAZIONE Carta delle microzone omogenee in prospettiva sismica (Livello 1) dell area costiera di Misano Adriatico (RN) 15

16 Classificazione dei metodi di MZS A livello internazionale (ISSMGE, 1993, 1999): Le procedure di MZS sono suddivise in tre livelli di approfondimento (I, II, III), differenziati in relazione ai dati conoscitivi e ai metodi di analisi impiegati e riguardano i seguenti problemi geotecnici: Moto sismico atteso al sito (analisi di RSL) Stabilità dei pendii Liquefazione Moto sismico atteso (RSL) Stabilità dei pendii Liquefazione Livello I Livello II Livello III Sismicità storica e Microtremori informazioni esistenti Studi geotecnici Carte geologiche semplificati Interviste con la popolazione locale Sismicità storica e Aerofotogrammetria e informazioni esistenti telerilevamento Carte geologiche e Studi sul campo geomorfologiche Dati su vegetazione e precipitazioni Sismicità storica e Aerofotogrammetria e informazioni esistenti telerilevamento Carte geologiche e geomorfologiche Studi sul campo Interviste con la popolazione locale Indagini geotecniche Analisi numerica della RSL Indagini geotecniche Analisi di stabilità Indagini geotecniche Analisi del potenziale di liquefazione Scala di rappr. 1: : : : : :

17 Classificazione dei metodi di MZS A livello nazionale esiste un testo guida per la MZS: Gruppo di lavoro MS, Indirizzi e criteri per la microzonazione sismica. Conferenza delle Regioni e delle Province autonome - Dipartimento della Protezione Civile, Roma, 3 vol. e Dvd. È reperibile al sito: all'interno della sezione Rischio sismico Il testo è articolato in 3 parti: Indirizzi e criteri Linee guida Appendici 17

18 Classificazione dei metodi di MZS Le procedure di MS sono suddivise in 3 livelli di approfondimento in funzione dei diversi contesti ed obiettivi La parte I - Indirizzi e criteri contiene: le principali definizioni una serie di indicazioni generali sulla raccolta e organizzazione dei dati, realizzazione della cartografia, modalità di presentazione dei dati, delle metodologie e dei risultati, per i tre livelli di approfondimento la descrizione delle modalità di utilizzazione per le diverse finalità (pianificazione territoriale, pianificazione per l emergenza, progettazione di opere) La parte II - Linee guida riguarda: le modalità di predisposizione delle indagini la stesura della carta delle indagini e delle carte di microzonazione previste per i 3 livelli di approfondimento la composizione degli abachi per le amplificazioni le procedure per le analisi di stabilità dei pendii e di liquefazione La parte III - Appendici contiene elementi di supporto specifici (abachi di riferimento, istruzioni tecniche per le indagini geologiche, geofisiche, geotecniche, esempi di carte di Livello 1, ecc.) 18

19 Livello 1 - Carta delle microzone omogenee in prospettiva sismica Il livello 1: ha per obiettivo l individuazione delle microzone a comportamento sismico omogeneo su una carta a scala 1: : costituisce uno studio propedeutico e obbligatorio per affrontare e orientare i successivi livelli di approfondimento prima della sua realizzazione è necessario disporre di un quadro conoscitivo generale relativo ad un territorio più vasto rispetto a quello interessato dallo studio di MZS Indagini Elaborazioni Prodotti Raccolta dati pregressi (rilievi geologici, geomorfologici, geologicotecnici e sondaggi) Sintesi dei dati e delle cartografie disponibili Carta delle indagini(scala 1: o superiore) con localizzazione, tipo, indicazione delle aree che necessitano di ulteriori indagini Carta delle microzone omogenee in prospettiva sismica (scala 1: :10.000) con identificazione delle zone stabili, zone stabili suscettibili di amplificazioni locali, zone suscettibili di instabilità (movimenti franosi, liquefazione, faglie, cedimenti) Relazione illustrativa della carta delle microzone omogenee in prospettiva sismica NB: non è previsto l utilizzo di un input sismico, né la quantificazione numerica dei diversi effetti 19

20 Livello 2 - Carta di microzonazione sismica Il livello 2 si pone come obiettivi: compensare alcune incertezze del livello 1 con approfondimenti conoscitivi fornire quantificazioni numeriche attraverso metodi semplificati (abachi e leggi empiriche) della modificazione locale del moto sismico in superficie (zone stabili suscettibili di amplificazioni locali) e dei fenomeni di deformazione permanente (zone suscettibili di instabilità) Indagini Elaborazioni Prodotti Indaginigeofisiche in foro di tipo DH o CH, cono sismico, sismica a rifrazione, analisi con tecniche attive e passive della dispersione delle onde superficiali per la stima di V S, microtremori ed eventi sismici Correzioni e confronto con i risultati del livello 1, revisione del modello geologico, abachi per i fattori di amplificazione, abachi e formule empiriche per le instabilità di versante e per la liquefazione Carta delle indagini(scala 1: o superiore) Carta di microzonazione sismica (scala 1: :10.000) con identificazione delle zone stabili suscettibili o meno di amplificazioni locali (caratterizzate da fattori di amplificazione) e delle zone suscettibili di instabilità (caratterizzate da parametri quantitativi e distinte per tipo di problema: instabilità di versante, liquefazione) Relazione illustrativa della Carta di microzonazione sismica NB: per la quantificazione degli effetti è necessaria la definizione dell input sismico di riferimento 20

21 Livello 3 - Carta di microzonazione sismica con approfondimenti Il livello 3 si applica: nelle zone stabili suscettibili di amplificazioni locali, nei casi di situazioni geologiche e geotecniche complesse non risolvibili con l uso degli abachi, o qualora sia conveniente un analisi globale di dettaglio o per opere di particolare importanza nelle zone suscettibili di instabilità particolarmente gravose per complessità del fenomeno e/o diffusione areale, non risolvibili con l uso di metodologie speditive Indagini Elaborazioni Prodotti Campagne di acquisizione dati sismometrici, sondaggi, prove in foro e in superficie per la determinazione del profilo di V S, sismica a rifrazione, prove geotecniche in sito e di laboratorio, microtremori Analisi numeriche 1D e 2D per amplificazioni, analisi dinamiche complete per la stima delle deformazioni permanenti Carta delle indagini(scala 1: o superiore) Carta di microzonazione sismica con approfondimenti Relazione illustrativa della Carta di microzonazione sismica con approfondimenti 21

22 Metodi di livello I (L1) per la valutazione della RSL 1. Correlazioni tra incrementi intensità macrosismica I osservati e natura dei litotipi: Metodo di Medvedev (1962): Principio: Risposta locale Variabilità dell'impedenza sismica Z=ρ V P entro i primi 10 m ρ V h i i Pi i Sottosuolo stratificato ZS = media pesata rispetto agli spessori h i (primi 10 m) (versione i hi più razionale: Z definita in termini di V S ) Variazione locale di intensità macrosismica I MSK = c log Z Z 0 S +e H 2 w Z S, Z 0 = impedenza locale e di un materiale di riferimento (granito) H w = profondità della falda (m) 22

23 Esempio di applicazione (fallimentare) del metodo di Medvedev MZS di Bucarest (1973) collaudata dal terremoto di Vrancea (1977) Limiti intrinseci di questo metodo e di quelli consimili: amplificazioni valutate statisticamente in relazione a Z(V P ) (il rapporto in termini di V S non è necessariamente lo stesso) si prescinde da qualsiasi analisi di pericolosità sismica (non si definiscono né sorgenti sismiche né leggi di attenuazione) risultati ricavati su scala regionale russa non estendibili tout-court valutazione dei parametri ristretta ai primi 10 m si trascurano fattori caratteristici: - del terremoto di riferimento (energia, contenuto in frequenze) - del sito (topografia, morfologia, non linearità) 23

24 Metodi di livello I (L1) per la valutazione della RSL 2. Correlazioni empiriche tra fattori di amplificazione registrati e natura dei litotipi: Principio: la risposta sismica locale è valutata in funzione della litologia in termini di amplificazione espressa come: Fonte Borcherdt, Gibbs (1976) Metodo di valutazione Effetti esplosioni Materiale (Formazione di riferimento) Fattore di amplificazione Dep. fangosi fondo baia 11.2 Alluvioni 3.9 Formazione di S. Clara 2.7 Sequenza Great Valley 2.3 Formazione Franciscana 1.6 Granito 1.0 Torba 1.6 Intervallo considerato (Hz) Amplificazione spettrale media (calcolata sugli spettri normalizzati medi in un intervallo f 1 f 2 ) AHSA = (S (S a a ) ) s b Shima (1978) Midorikawa (1987) Analisi numeriche Analisi numeriche Terreno vegetale 1.4 Argilla 1.3 Limo 1.0 Sabbia 0.9 Olocene 3.0 pleistocene 2.1 Pre-Terziario Fatto re di amplificazione A = (a (a max max ) ) s b 24

25 Metodi di livello II (L2) per la valutazione della RSL Principio: la risposta sismica locale è valutata in forma semplificata attraverso: abachi o tabelle (su basi sperimentali o teoriche) misure strumentali di microtremori o sciami sismici La RSL è espressa in termini di fattore di amplificazione, inteso come: a) Rapporto tra un parametro rappresentativo del moto al sito (accelerazione, velocità, spostamento, intensità di Arias, intensità spettrale, ecc.) rispetto all analogo parametro valutato in un sito di riferimento a = a A A = S R a a S R b) Rapporto tra un parametro rappresentativo del moto al sito (accelerazione, velocità, spostamento, intensità di Arias, intensità spettrale, ecc.) rispetto all analogo parametro valutato in corrispondenza della base rocciosa a = a A A = S b a a S b 25

26 Massimo fattore di amplificazione teorico per strato omogeneo viscoelastico: A max Prof. Ing. Claudia Madiai Ing. Elisa Gargini Metodi di livello II (L2) per la valutazione della RSL 1 π η + D 2 η = rapporto delle impedenze sismiche terreno/bedrock 1 η = = I ( ρv ( ρv D = rapporto di smorzamento interno del terreno S S ) ) t b Se si prescinde dalla variabilità (modesta) dell impedenza del bedrock, l amplificazione è esprimibile in funzione della sola V S della formazione affiorante: 26

27 Metodi di livello II (L2) per la valutazione della RSL Valutazione della RSL attraverso misure strumentali di microtremori e microterremoti Metodo dei microtremori = Capostipite dei metodi sperimentali (Kanai & Tanaka, 1961) Microtremori = rumori di fondo ambientali derivanti da: sorgenti naturali (vento, moti ondosi, variazioni di pressione atmosferica, fenomeni geotermici) fenomeni antropici (traffico, macchinari industriali) Esistono due modalità di valutazione della RSL utilizzando i microtremori: Metodo Criterio definizione amplificazione locale sito di riferimento X f X S b ( f ) ( f ) = spettrodi di sito sito spettro su su affioramento roccioso roccioso NAKAMURA (1989) f H V S S ( f ) ( f ) spettro della componente componenteorizzontal hz e = spettrocomponente della componenteverticale 27

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29 Metodi di livello III (L3) per la valutazione della RSL Sono i metodi dell Ingegneria Geotecnica Sismica che richiedono: 1. definizione moto sismico di riferimento (accelerogramma) 2. modello geometrico di sottosuolo (stratigrafia, morfologia superficiale e sepolta) 3. determinazione sperimentale e modellazione proprietà fisico-meccaniche 4. modello numerico per l analisi della risposta sismica di profili e sezioni Si perviene ad una rappresentazione del moto in superficie mediante accelerogrammi e spettri di risposta SHAKE QUAD4M 29

30 ParametriecartediMZS Il risultato finale di uno studio di MZS è la carta delle microzone (livello 2 e livello 3), che deve contenere tutti gli elementi ingegneristici di interesse ai fini della pianificazione urbanistica e della progettazione, ovvero: 1. la perimetrazione delle aree critiche e delle zone a diversa risposta sismica 2. l assegnazione di parametri che permettano di stabilire delle gerarchie di pericolosità tra le diverse aree Per le aree stabili i parametri ingegneristici più utilizzati sono: a) rapporto rispetto all accelerazione massima attesa su affioramento roccioso FPGA= As/Ab b) coefficienti sintetici dell accelerazione spettrale media, per esempio: coefficienti FA e FV coefficiente di sito FH 30

31 ESEMPIO Progetto di Microzonazione sismica della conca aquilana Valutazione degli effetti di sito nella macroarea 4: il caso di Poggio Picenze Gdl per la microzonazione sismica della macroarea 4 RER-SGSS: rilievi geologici modello geologico e livello 1; UniBas-DiSGG, CNR-IMAA, GFZ Postdam: monitoraggi strumentali; INGV, MI-PV: monitoraggi strumentali; CNR-IMAA: indagini geoelettriche; GEO s.a.s.: sondaggi; CNR-IAMC: prove Down-Hole; AGI-ReLuis (UniNA Federico II -DIGA, UniRoma La Sapienza -DISG, UniFI-DiCEA, UniCal-DDS, UniMol-SAVA, UniSannio-DIng.): analisi numeriche RSL. 31

32 Macroarea 4 Comuni: Poggio Picenze, Barisciano, S. Pio delle Camere 32

33 B B B B 33

34 Schema dei rapporti stratigrafici 34

35 Carta delle indagini Poggio Picenze 35

36 Tomografie di Resistività Elettrica (ERT) 36

37 Poggio Picenze 37

38 8 Dato l elevato danneggiamento (I MCS >8), a parità di vulnerabilità, nei centri abitati di Poggio Picenze e Castelnuovo sono stati ipotizzati effetti di sito; perciò le analisi di RSL sono iniziate dalle sezioni 3 e 5 38

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40 Modello geotecnico di sottosuolo Profili di velocità da (6) prove Down-Hole Prove di laboratorio sui limi bianchi 0 50 Vs (m/s) modulo di taglio, G (Mpa) RC 150 CTS 2hz 100 CTS 1 hz 50 CTS 0.5 hz 0 1E d deformazione tangenziale, γ (%) z (m) b3 a3-dt brp cglp (affioranti) cglp (sepolti) L (stepwise) L (linear) bb bedrock G/G Curve di decadimento e smorzamento d / a3 b3 / dt cglp-w / brp-w cglp-c / brp-c cglp-s / bb L(Poggio Picenze) L(Castelnuovo) D (%) γ (%) 0 GNGTS 2009: GdL MS area 4 i casi di Castelnuovo e Poggio Picenze 40

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45 Sezione 1: Modello e discretizzazione utilizzate nelle analisi di risposta sismica locale 2D 45

46 Sezione 1: Dipendenza dei fattori F H, F PGA, FV ed FA dal segnale di input Amplificazione FH(NTC) FH(det1) FH(det2) FH(det3) FH(prob) Amplificazione FPGA(NTC) FPGA(det1) FPGA(det2) FPGA(det3) FPGA(prob) NTC 9.0 FV det1 8.0 det2 7.0 det3 6.0 prob Amplificazione FV [-] FA [-] Amplificazione NTC det1 det2 det3 prob FA

47 CARTA DI MICROZONAZIONE SISMICA 47