RISPOSTA SISMICA LOCALE E MITIGAZIONE DEL RISCHIO SISMICO MEDIANTE LA TECNICA DEL JET-GROUTING: UNO STUDIO APPLICATO ALLA ZONA OVEST DELLA CITTA DI L AQUILA Ferdinando Totani Ph.D. in Ingegneria Civile e del Territorio e-mail: ferdinando.totani@gmail.com Gianfranco Totani Università degli Studi di L Aquila e-mail: gianfranco.totani@univaq.it Sommario Nelle aree soggette a terremoti distruttivi la riduzione del rischio sismico mediante il miglioramento dei terreni in sito rappresenta un rimedio/misura preventiva per affrontare la mitigazione del rischio sismico. Negli edifici da adeguare sismicamente a seguito di un loro danneggiamento da parte di un forte evento, spesso si interviene attraverso interventi volti all aumento della duttilità e della rigidezza degli elementi strutturali, con interventi importanti sul corpo di fabbrica. Il caso del terremoto di L Aquila del 6 Aprile 2009 ha messo in evidenza come alcuni quartieri residenziali (Pettino e Cansatessa), siano stati fortemente danneggiati e per i quali in alcuni casi è stata disposta la completa demolizione. Una soluzione alternativa potrebbe essere quindi quella di intervenire sulla risposta sismica locale, modificando artificialmente le proprietà meccaniche degli strati di terreno più vicini al piano campagna per cambiare il modo in cui le onde sismiche si propagano attraverso di essi. Questo articolo riassume un ampio lavoro di ricerca volto all analisi dell efficacia della tecnica del jet-grouting e le condizioni sotto le quali il suo uso può ritenersi appropriato per mitigare l azione sismica. L attenzione è orientata specificatamente a valutare le modifiche che il moto sismico subisce in volumi di terreno preventivamente trattati mediante jet-grouting, in condizioni di free field. Il trattamento è ipotizzato in zone di bordo valle e come riferimento reale è stato esaminato il sito campione dell alta valle dell Aterno nel territorio del Comune dell Aquila (sezione trasversale per l abitato di Cansatessa) in corrispondenza delle stazioni accelerometriche AQV AQG e AQM installate dall INGV che hanno registrato il main shock del terremoto del 6 Aprile 2009. La risposta sismica è stata valutata numericamente dapprima per la sezione esaminata che non ancora prevede il trattamento del terreno. I risultati delle modellazioni sono stati confrontati con le registrazioni del 6 Aprile del 2009 del main shock alle stazioni accelerometriche su citate. Successivamente sono stati generati modelli che prevedono l inserimento di regioni trattate costituite da colonne consolidate mediante jetgrouting la cui risposta è stata confrontata con il modello di riferimento (M0). 1. Modello di sottosuolo e modellazione numerica Il modello di sottosuolo si basa principalmente sulle indagini geologiche e geotecniche e geofisiche riportate da Lanzo et al. 2011 e quelle successive per la ricostruzione del patrimonio edilizio della città di L Aquila relative alla zona di Cansatessa-Pettino. I caratteri geometrici e fisico-meccanici dei terreni affioranti sono stati determinati mediante l analisi di stratigrafie, di sondaggi e risultati di misure piezometriche, prove Cross Hole (CH), prove Down Hole (DH), prove con Dilatometro Sismico (SDMT) e prove Standard Penetration Test (SPT). La modellazione numerica è stata affrontata con il codice di calcolo QUAD4M (Hudson et al. 1994). Il modello di sottosuolo che più avanti sarà chiarito rappresenta il modello di riferimento, chiamato M0, rispetto al quale verranno effettuati i confronti con i modelli che prevedono l inserimento delle
colonne di terreno consolidate mediante la tecnica del jet grouting. Il dominio di studio consiste in una sezione di circa di 2 Km di lunghezza e si sviluppa lungo l allineamento della stazioni RAN della valle dell Aterno AQG, AQV,AQA e AQM lungo i principali allineamenti delle prove in foro di sondaggio e delle prove geofisiche di superficie. Il dominio considerato si estende fino alla profondità di circa 80 m e in superficie riproduce la topografia locale. Le dimensioni del dominio 2D sono quindi approssimativamente pari a 2 x 0.8 km. La figura seguente mostra la sezione di riferimento. Fig 1. Sezione della Valle dell Aterno e unità litologiche : B Bedrock, BF Bedrock fratturato, SLALAG Alternanza di sabbia limosa, argilla limosa e argilla con ghiaia, ALS Argilla limosa/sabbiosa con ghiaia e limo sabbioso, GSSG Ghiaia sabbiosa e sabbia ghiaiosa, ALG Argilla limosa con ghiaia, R riporto o detrito di falda. Le proprietà fisiche e meccaniche dei sottosuoli sono illustrate nella tabella 1. Formazioni Bedrock Calcareo - (1) Argilla limosa con ghiaia- (7) Spessore Spessore γ Vs Vp D 0 ν elem, Hmaz H (m) KN/m 3 m/s m/s % adim. (m) - 24.0 1200 2500 0.5 0.35 10.0 Bedrock fratturato - (2) 20 23.0 700 Sabbia limosa e argilla limosa con ghiaia - (3) 15.0-30.0 18.5 600 1280 2.15 0.36 4 Argilla limosabbiosa con ghiaia- (4) 12 18.0 350 795 2.0 0.38 2.0 Ghiaia sabbiosa e sabbia ghiaiosa- (5) 10.0-30.0 19.0 700 1700 2.0 0.35 3.0 Ghiaia sabbiosa e sabbia ghiaiosa- (6) 10.0-30.0 19.0 500 900 2.0 0.38 2.0 4.0 18.0 1500 1.0 0.36 5.0 250 500 2.0 0.33 1.5 Riporto AQM- (8) 4.0 18.0 400 900 2.0 0.37 5.0 Tab 1. Proprietà fisiche e meccaniche delle unità litologiche del modello di riferimento Il volume è stato discretizzato tramite una griglia di elementini triangolari e quadrangolari (la griglia è costituita da 5859 elementi e 5539 nodi ) di dimensione variabile in funzione della velocità delle onde di taglio Vs e della massima frequenza risolvibile del segnale sismico (in generale 10 Hz) in accordo con la condizione di Kuhlemeyer e Lysmer (1973). Per ciascuna delle unità litologiche, il valore del modulo di resistenza a taglio a piccole deformazioni G 0 e del fattore di smorzamento iniziale D 0 è stato assunto costante con la profondità. 1.2 Comportamento non lineare dei terreni Il comportamento in campo dinamico dei materiali su annunciati è stato nel seguente modo individuato: - Bedrock calcareo (1) : comportamento elastico lineare con D 0 = 0.5% ; - Bedrock fratturato (2): comportamento elastico lineare con D 0 = 1 % ; - Alternanza di sabbia limosa, argilla limosa e argilla con ghiaia (3): prova di laboratorio in RC e una prova di TS eseguite dal Laboratorio Geotecnico del Dipartimento di Ingegneria Civile ed
Ambientale dell Università degli studi di Napoli (lavori progetto C.A.S.E.E. 2009). - Argilla limosa/sabbiosa con ghiaia e limo sabbioso (4), Ghiaia sabbiosa e sabbia ghiaiosa (5-6) e Argilla limosa con sabbia (7) : curva di decadimento utilizzata nelle analisi di risposta sismica locale effettuate nell ambito dello studio di Microzonazione Sismica (Gruppo di lavoro MS-AQ, 2010) per la Macroarea 2 (Cansatessa Pettino - Coppito); - Riporto (8): per questo materiale è stata adottata la curva di Rollins et al. (1998) per ghiaie usata anche per modellare terreni di riporto o detriti di falda e di versante. 1.3 Input sismico L input sismico è rappresentato da wavelet Ricker (Kallou et al, 2001) scelte per esplorare la sensibilità del sistema geotecnico in esame. Sono state propagate sette onde centrate nell intorno delle frequenze caratteristiche fc,di 1, 3, 5, 7 e 10 Hz. In tale campo di frequenze ricadono sia le frequenze fondamentali di vibrazione naturale del deposito (Del Monaco 2013). Tali impulsi sono forniti come storie temporali in accelerazione, di ampiezza massima fissata pari a 0.32g sia per la componente orizzontale sia per la componente verticale. Sono state propagate entrambe le componenti con i relativi picchi sfasati di 0.5 sec. Oltre alle wavelet la modellazione è stata affrontata imponendo come input: - la deconvoluzione dell accelerogramma (componente EW) del mainshock del 6 Aprile 2009 registrato dalla stazione di AQG; - due accelerogrammi naturali rispettivamente relativi alla sequenza sismica dell Umbria Marche (26/09/1997) componente EW registrato alla stazione di Assisi Stallone (ITACA database) denominato UMEW e all evento della Val Nerina (19/09/1979) componente NS registrato alla stazione di Cascia (ITACA database) denominato VNNS. 1.4 Risultati M0 I risultati sono espressi in termini di fattori di amplificazione della PGA (F PGA = F PGA(out) / F PGA(in) ) e dell intensità di Housner (F HI = F HI(out) / F HI(inp) ) definito su un intervallo di periodi che va da o1 a 2.5 sec. Di seguito vengono mostrati alcuni profili relativi alle modellazioni effettuate con le wavelet. F PGAH F HIH 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 800 1000 1200 1400 1600 1800 X (m) M0(HV)_MEDIA 800 1000 1200 1400 1600 1800 X (m) M0(HV)_MEDIA 1Hz 3Hz 5Hz 7Hz 10Hz M(Fpgah) 1Hz 3Hz 5Hz 7Hz 10Hz M(Fhih) Fig 2. Profili dei fattori di amplificazione ottenuti con le diverse wavelet e relativa media. Dal confronto dei vari profili scaturiscono i seguenti commenti: - i valori massimi di PGA quando l input rappresentato dalle wavelet è caratterizzato da una frequenza fondamentale coincidente con quella del deposito rilevata tramite le misure di rumore sismico (Del Monaco 2013); - esiste una forte dispersione dei fattori di amplificazione fortemente dipendente dal contenuto energetico dell input sismico.
2. Modellazione numerica con l ipotesi di intervento di bonifica mediante jet-grouting Nell ottica di fornire confronti teorici, lo studio numerico è stato suddiviso in due 4 sottomodelli: - due modelli M1 e M2 costituiti dall ipotesi di volume consolidato con colonne di diametro pari a 1 metro e a 2 metri rispettivamente; - altri due modelli L1 e L2 costituiti dall ipotesi di volume consolidato con colonne di lunghezza pari a 4 metro e a 7 metri rispettivamente. In particolare, per la zona considerata, abbiamo il primo litotipo (unità litologica ALG, argilla limosa con ghiaia) che costituisce lo strato più superficiale di spessore paria circa 4 metri e Vs= 250 m / s e un secondo litotipo (unità litologica GSSG, ghiaia sabbiosa e sabbia ghiaiosa) di spessore di circa 3 metri con Vs di 500 m / s. Combinando risultano i seguenti modelli: M1L1, M1L2, M2L1 e M2L2. Una considerazione riguardo lo sviluppo in senso orizzontale dell opera di bonifica è da evidenziare. Lo studio, fin dalle premesse, è stato animato dall intenzione di intervenire sulla risposta sismica locale onde migliorare la risposta del sottosuolo di porzioni di quartieri. In virtù di ciò si è pensato a un intervento che debba coinvolgere il sottosuolo di gruppi di fabbricati, o di un opera di grande sviluppo e quindi con una dimensione caratteristica dell ordine delle centinaia di metri. Per la caratterizzazione delle colonne consolidate si è fatto riferimento a delle caratteristiche meccaniche ipotizzate ottenibili in tali terreni. La tabella seguente riporta le proprietà della colonna (è bene sottolineare che per l assegnazione delle proprietà del materiale trattato da inserire nei modelli di calcolo è necessaria una accurata campagna di indagine su colonne campione). γ (KN/m 3 ) Vs (m/s) Vp (m/s) D 0 (%) ν (adim) G (MPa) E(MPa) COLONNA 22 1400 2500 1 0.27 4312 6460 Tab 2. Proprietà fisiche e meccaniche assunte per le colonne consolidate. Nella figura seguente viene mostrato un esempio di modello che prevede il trattamento. Fig 3. Modello M2L1, dettaglio della mesch centrato nella zona di intervento. 3. Risultati I risultati e i confronti hanno lo scopo di identificare la modifica la moto sismico ad opera dell intervento con jet-grouting e chiarire la sua l efficacia. Nel presente paragrafo verranno forniti i risultati in termini di confronti con il modello M0. L esame dei risultati mostra attenuazione dell azione sismica che interessa tutta dell area bonificata mentre si osserva una amplificazione al di fuori della zona trattata verso il centro valle. In presenza dell intervento che irrigidisce gli ultimi strati, l onda viene in parte riflessa verso il basso, con ovvi e conseguenti fenomeni di interferenza con l onda diretta, in parte invece si diffrange lungo il contorno dell area bonificata propagandosi verso la porzione di dominio immediatamente a sinistra della zona bonificata (centro valle). Il confronto tra i vari grafici evidenzia inoltre che all aumentare del diametro D delle colonne e della lunghezza L, i profili appaiono più accentuati con picchi più pronunciati e gradienti di attenuazione maggiori spostandosi verso il bordo sinistro. Per tutte le analisi lo scuotimento indotto in superficie è stato valutato in termini di fattore di amplificazione dell accelerazione di picco FA PGA e di intensità spettrale di Housner FA HI, dati dal rapporto tra i valori calcolati in presenza ed in assenza di intervento.
Di seguito vengono riportati alcuni risultati. Fig 5. Profili delle PGA e degli FA pgah del moto orizzontale per i diversi modelli di intervento in funzione delle frequenze caratteristiche di input (il tratto oggetto di bonifica si configura tra le linee tratteggiate). Fig 6. Profili degli FA PGA e degli FA HI del moto orizzontale per il modello di intervento M2L1 relativo alle analisi effettuate con gli accelerogrammi AQGEW, UMEW e VNNS e relativa media. 4. Conclusioni Lo studio teorico condotto permette di concludere quanto segue: - il beneficio del trattamento con jet-grouting di porzioni di terreno in termini di riduzione degli effetti del moto sismico è dipendente da una serie di fattori legati sia al modello del sottosuolo (geometria, stratigrafia, caratteristiche meccaniche) sia alle caratteristiche del moto sismico ed in
particolare al contenuto in frequenza; - al beneficio in termini deamplificazione riscontrato all interno della zona trattata si contrappone un effetto laterale negativi; in particolare si assiste ad una amplificazione che coinvolge una zona (verso il centro della valle) di dimensioni leggermente inferiori all estensione della zona tratta. Lo studio ha messo inoltre in luce come l intervento con colonne di jet-grouting, caratterizzate dal diametro di 2 metri e lunghezza di 4 metri (modello M2L1) risulti una soluzione che offre soddisfacenti riduzioni dei parametri sismici all interno dell area di trattamento e limitate amplificazioni nella zona al di fuori. Come tale è possibile affermare che l intervento con la suddetta geometria potrebbe risultare il più praticabile per il sito in esame. L effetto negativo di amplificazione al di fuori dell area trattata, legato al brusco contrasto di impedenza in senso laterale, potrebbe essere mitigato variando la geometria e la disposizione delle colonne (per esempio, diminuendo la lunghezza delle colonne ai bordi dell intervento e/o aumentando l interasse). Bibliografia AGI Associazione Geotecnica Italiana (2012). Jet Grouting Linee Guida. Edizione Provvisoria, Patron Editore, Bologna. Croce P., Gajo A., Mongiovì L., Zaninetti A.. (1994). Una verifica sperimentale degli effetti della gettiniezione. Rivista Italiana di Geotecnica (RIG), 2-91 Del Monaco F. (2013). Tecniche di indagine passiva nell ambito dei progetti di Microzonazione Sismica: applicazioni al territorio di L Aquila. Tesi di dottorato. Flora A., Lirer S.. (2011). Interventi di consolidamento dei terreni: tecnologie e scelte di progetto. XXIV Convegno Nazionale di Geotecnica, Stato dell arte sul consolidamento dei terreni. Hudson M., Idriss I.M., Beikae M.. (1994). Quad4M - A computer program to evaluate the seismic response of soil structures using finite element procedures and incorporating a compliant base. University of California, Davis. Gruppo di Lavoro MS AQ (2010). Microzonazione sismica per la ricostruzione dell'area aquilana. Regione Abruzzo Dipartimento della Protezione Civile, L'Aquila, 3 vol. e Cd-rom. Lanzo G., Tallini M., Milana G., Di Capua G., Del Monaco F., Pagliaroli A., Peppoloni S.. (2011). The Aterno valley strong-motion array: seismic characterization and determination of subsoil model. Bull Earthquake Eng 9:1855 1875. Lombardi D., Flora A., Lirer S., Silvestri F.. (2012). Interventi di trattamento profondo dei terreni per la mitigazione del rischio sismico: primi risultati. Incontro Annuali Ricercatori Geotecnica, Padova (IARG). Lombardi D., Flora A.. (2013) Considerazioni su possibili interventi sull isolamento sismico di edifici esistenti. Incontro Annuali Ricercatori Geotecnica, Perugia (IARG).