UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI FIRENZE DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE e AMBIENTALE Sezione Geotecnica Risposta Sismica Locale Prof. Ing. Claudia Madiai Caratteristiche del moto sismico al sito Le caratteristiche del moto sismico in superficie, in assenza di manufatti (condizioni di free-field), sono il risultato di un insieme di fenomeni molto complessi legati in generale a: - meccanismo di sorgente - cammino di propagazione Tuttavia numerose osservazioni sul campo hanno chiaramente evidenziato che contano soprattutto e in maniera determinante le: - condizioni locali del sito (caratteristiche geologiche, morfologiche e geotecniche dei depositi e degli ammassi rocciosi superficiali) 1
Variabilità spaziale del danno con la distanza in un sottosuolo ideale SITO 1 SITO SITO 3 SITO 4 importanti medi lievi Nessun danno epicentro ipocentro ROCCIA 3 Variabilità spaziale del danno con la distanza in un sottosuolo reale SITO 1 SITO SITO 3 SITO 4 importanti medi lievi importanti epicentro TERRENO ipocentro ROCCIA ROCCIA 4
Caratteristiche del moto sismico al sito INFLUENZA DELLA SORGENTE In prossimità dell epicentro (near field) ) l'influenza dei meccanismi di sorgente prevale generalmente su quella degli altri fattori. I parametri che caratterizzano i meccanismi di sorgente sono: a. profondità della sorgente A parità di altre condizioni un terremoto più superficiale: - è più distruttivo - interessa un area meno estesa - l accelerogramma è di tipo più impulsivo, la durata è minore, il contenuto in frequenza è più ricco di alte frequenze 5 Caratteristiche del moto sismico al sito INFLUENZA DELLA SORGENTE b. lunghezza della frattura a LUNGHEZZA max DURATA FRATTURA È un parametro a cui risulta MAGNITUDO [g] [s] [km] proporzionale l energia rilasciata, quindi 5.5 0.15 6 5 10 anche alcuni parametri caratteristici del terremoto e del moto sismico 6.5 0.9 18 15 30 7.5 0.45 30 60 100 c. energia rilasciata 8.5 0.50 37 00 400 Maggiore è l'energia rilasciata, maggiore è l estensione dell area di risentimento t e maggiori i sono i valori di alcuni parametri caratteristici ti i del terremoto e del moto sismico (magnitudo, intensità, durata, accelerazione massima, spostamento) d. meccanismo di rottura Influenza la forma, l ampiezza, la frequenza e la durata delle vibrazioni, oltre all'intervallo di tempo fra successivi rilasci di energia (eventi sismici) 6 3
Caratteristiche del moto sismico al sito INFLUENZA DEL CAMMINO DI PROPAGAZIONE Allontanandosi dalla sorgente, l'energia trasportata dalle onde di volume diminuisce, il moto sismico si arricchisce di basse frequenze e l'ampiezza delle vibrazioni decresce (smorzamento geometrico, per scattering e isteretico) 7 Caratteristiche del moto sismico al sito INFLUENZA DELLE CONDIZIONI LOCALI L esperienza ha dimostrato che, in un dato territorio: per un dato terremoto ogni sito ha una risposta diversa: alcuni siti possono amplificare il moto sismico in arrivo al sito senza comportare rotture ed elevati cedimenti del terreno; altri lo amplificano fino a portarlo a collasso; altri lo attenuano uno stesso sito ha risposte diverse durante i diversi terremoti che possono colpire l area la variabilità delle risposte è da ricondurre alla caratteristiche geologiche, morfologiche e geotecniche del sito ( condizioni locali ) 8 8 4
Caratteristiche del moto sismico al sito INFLUENZA DELLE CONDIZIONI LOCALI Effetti topografici importanti ti Effetti stratigrafici importanti Sito di riferimento lievi Effetti di valle importanti 3 1 9 Caratteristiche del moto sismico al sito INFLUENZA DELLE CONDIZIONI LOCALI The map shows how the level of shaking is likely to vary across the Los Angeles Basin because of soft sediments and subsurface geologic structures. Gli effetti dei terremoti legati alle caratteristiche del sito vengono denominati effetti di sito 10 5
Evidenze sperimentali degli effetti di sito Il caso di Città del Messico (1985) Torre latino-americana perché? 11 Evidenze sperimentali degli effetti di sito Il terremoto di Città del Messico (1985) Considerando la notevole distanza epicentrale ( 400km) e i modesti valori di PGA su affioramento rigido (<0.1g) non si giustificano i drammatici effetti del terremoto a Città del Messico. La stazione STC registra però un a max = 0.17g 1 6
Evidenze sperimentali degli effetti di sito Il terremoto di Città del Messico (1985) La città è fondata su uno spesso deposito di argille recenti molto molli (I p 00%, V s =75m/s) che riempiono la depressione dell antico Lago Texcoco (dove sorgeva Tenochtitlan) Gli effetti dell amplificazione locale giustificano i gravi danni, soprattutto nella zona III della città 13 Evidenze sperimentali degli effetti di sito Il terremoto di Città del Messico (1985) Nelle diverse stazioni accelerometriche si è osservato un incremento del periodo fondamentale del moto all aumentare dello spessore di argilla Si è osservata una forte amplificazione i dell ampiezza spettrale (cfr. STC per T s) quando il periodo fondamentale del deposito coincide con quello del segnale sismico (cfr. UNAM, su formazione rigida ) risonanza Periodo fondamentale del deposito in STC: T 1 =4H/V s =4 37/75 s prossimo al periodo fondamentale di un edificio con N 0 piani (telaio regolare in c.a. senza interaz. terreno-struttura ) o con N<0 piani (con interaz. terreno-struttura ) doppia risonanza 14 7
Evidenze sperimentali degli effetti di sito Effetto di forti discontinuità laterali nel sottosuolo 15 Evidenze sperimentali degli effetti di sito Effetti stratigrafici e topografici 0.1 Cesi Villa comp. NS a [g] Cesi Villa comp. NS -0.1 0 6 04 08 1 tempo [s] 0 0.4 0.8 1. periodo [s] Sa [g] 0. Periodo fondamentale del deposito: 4H T = 0.5s VS prossimo al periodo fondamentale di edifici a 5 piani 0. Cesi Bassa comp. NS 0.5 Cesi Bassa comp. NS a [g] Sa [g] -0. 0 tempo [s] 6 0 0.4 0.8 1. periodo [s] 16 8
Evidenze sperimentali degli effetti di sito Effetti stratigrafici e topografici 17 EFFETTI DI SITO Effetti di sito o Risposta Sismica Locale : modifiche in ampiezza, durata e contenuto in frequenza del moto sismico rispetto al moto di riferimento su affioramento rigido pianeggiante Sono legati ai numerosi e complessi fenomeni fisici che avvengono durante la propagazione delle onde sismiche all interno dei terreni e degli ammassi rocciosi Si distinguono 3 tipi principali di effetti: effetti stratigrafici (monodimensionali, 1D) Effetti topografici effetti di valle (bi-tridimensionali, D-3D) effetti topografici (bi-tridimensionali, D-3D) Effetti stratigrafici Sito di riferimento i Effetti di valle 3 1 18 9
Effetti stratigrafici - Terreno ρ s V s,d Roccia ρ R V SR H Effetti stratigrafici 1D: sono legati alla interazione tra onde sismiche e caratteristiche geotecniche dei terreni (in particolare al rapporto di impedenza sismica I=ρ R V SR /ρ S V S e al rapporto di smorzamento del terreno, D) e ai fenomeni di risonanza tra moto sismico e deposito che si verificano quando il periodo fondamentale del deposito (dipendente da H e V s ) coincide con quello del moto sismico 19 Effetti di valle Effetti di valle D o 3D: sono legati alla interazione tra onde sismiche e morfologia sepolta con effetti di focalizzazione delle onde sismiche e generazione di onde di superficie in prossimità dei bordi Rispetto al caso 1D: maggiori amplificazioni aumento significativo della durata 0 10
Effetti topografici Effetti topografici D o 3D: sono legati alla interazione tra onde sismiche e morfologia superficiale con effetti di focalizzazione delle onde sismiche Rispetto al caso 1D: maggiori amplificazioni in sommità complessa interazione tra campo d onda incidente e diffratto 1 EFFETTI DI SITO E NORMATIVA Secondo il D.M. 14.01.008: Ai fini della definizione dell azione sismica di progetto, si rende necessario valutare l effetto della risposta sismica locale mediante specifiche analisi In assenza di tali analisi si può fare riferimento a un approccio semplificato che si basa sull individuazione di categorie di sottosuolo di riferimento e di categorie topografiche In particolare, per determinare l azione sismica di progetto in termini di accelerazione massima* (ad es. per analisi all equilibrio limite di muri di sostegno, pendii, ecc..), si utilizzano coefficienti: S s : fattore di amplificazione stratigrafica, basato sull identificazione di categorie di sottosuolo olo di riferimento imento S T : fattore di amplificazione topografica, basato sull identificazione di categorie topografiche NOTA: Per determinare l azione sismica di progetto in termini spettrali (per analisi strutturali), oltre ai due coefficienti S S e S T, è necessario definire in funzione della categoria di sottosuolo anche il coefficiente C C 11
EFFETTI DI SITO E NORMATIVA Coefficiente di amplificazione stratigrafica S S (D.M. 14.01.08) 3 EFFETTI DI SITO E NORMATIVA Coefficiente di amplificazione stratigrafica S S (D.M. 14.01.08) 4 1
EFFETTI DI SITO E NORMATIVA Coefficiente di amplificazione stratigrafica S S (D.M. 14.01.08) ll coefficiente di amplificazione stratigrafica S s sottosuolo : dipende dalla categoria a g, F o e T C * si ricavano dalla pericolosità del territorio nazionale (http://www.cslp.it/cslp/) 5 EFFETTI DI SITO E NORMATIVA È necessario eseguire specifiche analisi di RSL per sottosuoli appartenenti ti alle seguenti categorie S1 e S: 6 13
EFFETTI DI SITO E NORMATIVA Coefficiente di amplificazione topografica S T (D.M. 14.01.08) PENDII i 15 T1: S T =1 i >15 T: S T =1. in sommità RILIEVI CON LARGHEZZA IN CRESTA MOLTO MINORE CHE ALLA BASE 15 i 30 T3: S T =1. sulla cresta i > 30 T4: S T =1.4 sulla cresta S T è definito variabile linearmente dalla sommità fino alla base dove S T =1 7 Analisi della Risposta Sismica Locale Ipotesi generalmente assunte nella modellazione: effetti indotti dalle onde P trascurabili moto sismico orizzontale indotto da onde S che si propagano in direzione i verticale moto sismico rappresentabile mediante un accelerogramma (dominio del tempo) o uno spettro di Fourier (dominio delle frequenze) direzione di propagazione direzione di moto 8 14
Analisi della Risposta Sismica Locale funzione di trasferimento: descrive la trasformazione, nel dominio delle frequenze, del moto in superficie (S) rispetto a quello della formazione rocciosa di base (R) o affiorante (A) 9 Analisi della Risposta Sismica Locale MODELLI Possono essere suddivisi in base a diversi criteri In relazione alla dimensionalità del problema si suddividono in: modelli monodimensionali (1-D) modelli bidimensionali (-D) modelli tridimensionali (3-D) In funzione del modello fisico impiegato si individuano: modelli a strati continui modelli a masse concentrate In relazione al modello di comportamento adottato per il terreno si individuano: d modelli lineari modelli lineari equivalenti modelli non lineari Dal punto di vista geotecnico un altra importante distinzione riguarda il fatto che l analisi venga condotta in termini di pressioni totali o in termini di pressioni efficaci 30 15
Analisi della Risposta Sismica Locale Effetti stratigrafici a A S t -D 1-D a R a In molti casi è possibile ricondursi ad un problema 1-D Le assunzioni fondamentali dei modelli 1-D sono : condizione free field formazione rocciosa di base orizzontale terreno stratificato orizzontalmente 31 Analisi della Risposta Sismica Locale MODELLI 1-D a strati continui schema della trave a taglio H dz T T + dz z ρ A dz u& terreno T (=τ A=G γ A) u g roccia equazioni di equilibrio dinamico nell ipotesi di terreno elastico: Oscillazioni libere u u ρ = G t z Oscillazioni forzate u u ρ G = u&& t z g A=area della sezione trasversale; G=modulo di taglio; γ = u/ z=deformazione di taglio; ρ = densità; u= spostamento del terreno; u g = spostamento della base 3 16
Analisi della Risposta Sismica Locale MODELLI 1-D a strati continui schema della trave a taglio In analogia al caso del SDOF in cui: cω kξ ξ = c = k ω si avrà: ηω GD D = η = G ω H terreno u g T T + dz zz ρ A dz u& dz T (=τ A) γ dove τ = Gγ + η t roccia equazioni di equilibrio dinamico nell ipotesi di terreno visco-elastico: Oscillazioni libere Oscillazioni forzate u u u ρ = G + η t z z t 3 A=area della sezione trasversale; G=modulo di taglio; γ = u/ z=deformazione di taglio; η= coeff. di viscosità; ρ =densità; u=spostamento del terreno; u g =spostamento della base 33 u u u ρ G η = && u g t z z t 3 17