Casi di studio relativi al terremoto dell Emilia

UNIVERSITA DEGLI STUDI DI FIRENZE Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale Sezione geotecnica (www.dicea.unifi.it/geotecnica) Casi di studio relativi al terremoto dell Emilia Liquefazione sismica dei terreni, metodologie di analisi e programmazione delle indagini Johann Facciorusso johannf@dicea.unifi.it http://www.dicea.unifi.it/~johannf/ Seminario su Caratterizzazione Dinamica dei Terreni mediante Prove in Laboratorio e in Sito GEOFLUID: Driilling & Foundations

e in Sito. Il terremoto dell Emilia presenta alcune peculiarità che hanno reso i suoi effetti e le manifestazioni osservate in alcuni casi eccezionali: Estensione della zona di risentimento 2/42

e in Sito. Durata e intensità della sequenza sismica aftershocks di intensità poco inferiore o uguale alla scossa principale, e molto ravvicinati 20/05/2012 3/42

Prevalenza delle accelerazioni verticali 29/05/2012 4/42 e in Sito.

e in Sito. Varietà delle manifestazioni crolli, cedimenti di fondazione, rotture nel terreno, ecc. Danneggiamento limitato ad alcune tipologie di strutture Capannoni, edifici con più di due piani, palazzi storici, ecc. 5/42

Diffusi ed estesi fenomeni di liquefazione 6/42 e in Sito.

e in Sito. Dott. Ing. Johann Facciorusso NOZIONI DI LIQUEFAZIONE Def. La liquefazione è un fenomeno (stato fisico) per il quale la rigidezza e la resistenza di un terreno si riducono a tal punto (a zero) che le singole particelle possono muoversi liberamente l una rispetto alle altre. Liquefazione dinamica (sismica) Dovuta allo scuotimento sismico o ad altri carichi dinamici che determinano un rapido incremento e accumulo delle pressioni interstiziali nei terreni granulari saturi = - u 0 7/42

e in Sito. Liquefazione sismica Nel caso sismico,il termine liquefazione viene in genere utilizzato per descrivere un ampia gamma di fenomeni con effetti simili ma determinati da meccanismi differenti. Tali fenomeni possono essere suddivisi in tre principali categorie: Liquefazione ciclica (assenza di sforzi di taglio statici preesistenti, condizioni free field e piano di campagna orizzontale) Effetti: crateri e vulcanelli di sabbia, fuoriuscite di acqua e sabbia Mobilità ciclica (deboli sforzi di taglio statici preesistenti, condizioni di pendio lieve o di near field) Effetti: deformazioni permanenti e limitate (lateral spreading) Fludificazione (elevati sforzi di taglio statici preesistenti, condizioni di pendio acclivi o di near field) Effetti: movimenti del terreno elevati e rapidi, anche dopo il terremoto, perdita di capacità portante degli edifici, frane 8/42

e in Sito. Dott. Ing. Johann Facciorusso Liquefazione ciclica (L) Motagua River (Guatemala, (Niigata, Japan, 1976) 1964) Fluidificazione (F) Turnagain Heights landslide (Anchorage, 1964) Mobilità ciclica (M) Motagua River (Guatemala, 1976) 9/42

Casi osservati in Emilia I. Crateri e vulcanelli (L) 10/42 e in Sito.

II. Fouriuscite di acqua e sabbia (L) 11/42 e in Sito.

III. Crepe, rotture nel terreno e dislocazioni (L) 12/42 e in Sito.

IV. Abbassamenti e sollevamenti del terreno (M) 13/42 e in Sito.

IV. Movimenti orizzontali (lateral spreading, M) 14/42 e in Sito.

e in Sito. FLUDIFICAZIONE (F) Non si sono verificati fenomeni di fluidificazione (movimenti di grandi masse di terreno, laterali o di pendio, collasso di pendio, perdita di capacità portante, galleggiamento di manufatti, ecc.) 15/42

e in Sito. FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI La liquefazione generalmente avviene quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni: Condizioni del terreno : (fattori predisponenti) FATTORI FISICI (terreni granulari sotto falda) FATTORI DI COMPOSIZIONE e FORMA (granulometria uniforme e particelle arrotondate) FATTORI DI STATO (terreni poco addensati e superficiali) FATTORI GEOLOGICI (depositi recenti di natura sedimentaria) FATTORI STORICI (liquefazione tende a riproporsi negli stessi siti) FATTORI ANTROPICI E AMBIENTALI (riporti antropici, colmate, aree di bonifica, ecc.) + Condizioni sismiche : (fattori scatenanti) Magnitudo M > 5.5 Picco d accelerazione max orizz., PGA H >0.15g Durata > 15-20 sec

e in Sito. Dott. Ing. Johann Facciorusso PGA H >0.15g 29/05/2012 FATTORI SCATENANTI M =5.8>5.5 20/05/2012 M =5.9 > 5.5 PGA H = 0.264 > 0.15 g D(br.) = 8.1 s < 15 s Casi di liquefazione osservati PGA H =? Riattivazione di liquefazione 17/42

FATTORI PREDISPONENTI Fattori fisici e geologici Mirabello 18/42 e in Sito.

Fattori litologici e di composizione Liquefacibile 19/42 e in Sito.

Fattori storici, antropici e ambientali 1599 PO Oggi Mirabello 20/42 e in Sito.

e in Sito. Dott. Ing. Johann Facciorusso METODI PER LA STIMA DELLA PERICOLOSITÀ DI LIQUEFAZIONE La liquefazione può essere prevista ricorrendo a tre categorie di metodi: Metodi empirici (qualitativi o semiquantitativi) Metodi semplificati (storico-empirici o ingegneristici) Metodi dinamici (avanzati) che possono essere utilizzati in relazione alla finalità dell indagine (microzonazione sismica o progettazione) ed al livello di dettaglio che si intende realizzare (livello di MS o importanza, classe d uso e categoria della struttura) I metodi empirici forniscono un giudizio qualitativo sulla suscettibilità di liquefazione del sito o dell area in esame, i metodi semplificati e dinamici forniscono una stima quantitativa del potenziale di liquefazione (fattore di sicurezza). N.B. I metodi empirici e semplificati sono validi per piano di campagna suborizzontale. (condizioni free field). Liquefazione ciclica 21/42 Risorse impegnate

e in Sito. Dott. Ing. Johann Facciorusso Dati necessari Per le valutazioni della suscettibilità alla liquefazione sono indispensabili dati su: scuotimento in superficie (in genere, in termini di accelerazione massima del suolo, PGA); magnitudo degli eventi attesi; litostratigrafia; granulometria; profondità della falda; resistenza dei terreni sotto carico ciclico. da Linee guida per la MS, DPC 2008 (I&C-08) 22/42

e in Sito. In genere considerano separatamente i fattori predisponenti (caratteristiche del deposito) e i fattori scatenanti (caratteristiche del terremoto). Generalmente valutano solo la suscettibilità alla liquefazione dei depositi, prescindendo dalla sismicità La suscettibilità alla liquefazione viene valutata sulla base di osservazioni effettuate durante i terremoti passati e sulla base di informazioni geologiche e geotecniche derivate da prove indici e di tipo corrente secondo i seguenti criteri: 1) criterio storico 2) criterio geologico 3) criterio di composizione 4) criterio di stato fisico Metodi empirici 23/42

e in Sito. Dott. Ing. Johann Facciorusso Metodi semplificati Tale approccio ( cyclic stress approach ) si basa sul calcolo, al variare della profondità, del fattore di sicurezza nei confronti della liquefazione, così definito: dove: FSL(z) = CRR(z) CSR(z) CSR = sforzo di taglio indotto dal terremoto ad una data profondità (normalizzato rispetto alla pressione di confinamento 0 ed espresso come rapporto di tensione di taglio ciclica) CRR = resistenza al taglio del terreno alla stessa profondità (normalizzata rispetto a 0 ed espressa come rapporto di tensione di taglio ciclica) CRR, CSR 1 FSL z CRR CSR ZONA DI LIQUEFAZIONE N.B. Analisi 1-D, free field, p.c. orizzontale (liquefazione ciclica) 24/42 z

e in Sito. Fase 1: valutazione dello sforzo indotto dall azione sismica tramite correlazioni empiriche rapporto di sforzo ciclico, CSR = f(a max, v0, v0,r d, ecc.) Fase 2: normalizzazione/correzione delle misure in situ (q c, f s, N SPT, V s, ecc.), resistenza corretta e normalizzata, R 2 Fase 3: valutazione della resistenza alla liquefazione tramite correlazioni empiriche (abachi o formule) a partire dalla resistenza normalizzata misurata in sito o da parametri di laboratorio per terremoti di magnitudo assegnata (M W =7.5) rapporto di resistenza ciclica per M = 7.5, CRR 7.5 = f(r 2 ) Fase 4: correzione di CRR 7.5 con un fattore di scala per la magnitudo MSF = f(m) rapporto di resistenza ciclica, CRR = MSF CRR 7.5 Fase 5: calcolo del fattore di sicurezza nei confronti della liquefazione fattore di sicurezza, FSL = CRR/CSR alle profondità per cui risulta FSL < 1 (CSR > CRR) il terreno è considerato liquefacibile 25/42

e in Sito. Il calcolo di FSL è escluso per gli strati giudicati non liquefacibili da un punto di vista fisico (z >z cr,z<z w ), litologico (ad es. I c > 2.6) o meccanico (ad es. (qc 1n ) cs > 160). (qc 1n ) cs qc 1n z (m) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 q c1n, (q c1n ) cs (-) 0 100 200 300 CRR 7.5 CSR 7.5 CSR 7.5, CRR 7.5 (-) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 FSL 0 0.5 1 1.5 2 Esclusi dal calcolo (NL) 26/42 L NL

e in Sito. Potenziale di liquefazione Il potenziale di liquefazione (PL) di uno strato esprime, con un numero compreso tra 0 e 1, la pericolosità di liquefazione dello strato nei confronti dell evento sismico atteso considerato ed è funzione di: Il fattore di sicurezza nei confronti della liquefazione calcolato con il metodo adottato (o la probabilità di liquefazione se si fa riferimento ad un metodo probabilistico) tramite una funzione F(z) ed è massimo per FSL = 0 la profondità dello strato (maggiore è la profondità e minore sono gli effetti della liquefazione riscontrabili in superficie) attraverso una funzione di pesi, W(z), che è massima (1) in superficie e nulla alla profondità critica (assunta pari a 20 m). con: F(z)= W ( z) 10 10 PL = F(z) W(z) 0 per FSL 1 1 FSL per FSL < 1 z 20 Iwasaki et al. (1982) 27/42

e in Sito. Per tenere conto del fatto che in superficie si risente dell effetto cumulativo della liquefacibilità degli strati sottostanti, si introduce un indice del potenziale di liquefazione (Iwasaki, 1978): LPI( x, y) z cr 0 F( x, y, z) W ( x, y, z) dz 20 LPI Classi di pericolosità di liquefazione LPI = 0 Nulla 0 < LPI 5 Bassa 5 < LPI 15 Alta LPI > 15 Molto alta z (m) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 LPI 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Rischio di liquefazione basso Rischio di liquefazione moderato Rischio di liquefazione alto Rischio di liquefazione molto alto 28/42

e in Sito. METODI DINAMICI Si basano su analisi 1-D o 2-D della Risposta Sismica Locale Determinano l andamento degli sforzi e delle deformazioni di taglio indotti dall azione sismica di progetto all interno del deposito I più evoluti tengono conto all interno del deposito di: - accumulo delle pressioni interstiziali durante il terremoto - dissipazione delle pressioni interstiziali durante e dopo l evento sismico Richiedono pertanto: l impiego di codici di calcolo numerico più o meno complessi l esecuzione di specifiche prove dinamiche in sito e prove cicliche di laboratorio per la definizione del modello geotecnico N.B. Analisi 2-D o 3-D, condizioni near field e pendio Mobilità ciclica e fluidificazione 29/42

e in Sito. PROGRAMMAZIONE DELLE INDAGINI A SAN CARLO E MIRABELLO Il Gruppo di Lavoro sulla Liquefazione istituito da Regione Emilia-Romagna e Dipartimento della Protezione Civile ha programmato per le aree di San Carlo e Mirabello una serie di indagini con differenti finalità: Gestione dell emergenza (fornire rapide risposte sull agibilità degli edifici, ovvero sulla stabilità della struttura e del terreno di fondazione) Comprensione dei fenomeni di liquefazione osservati (sia a scala di singolo manufatto per progettare sistemi di prevenzione, sia a scala areale per fini di microzonazione sismica) 30/42

e in Sito. Le indagini devono quindi essere mirate a: - valutare la stabilità del terreno di fondazione (rilievi topografici, monitoraggio degli spostamenti degli edifici e dei cedimenti del terreno lungo apposite sezioni, indagini con georadar in prossimità e sotto le fondazioni, ecc.) - caratterizzazione stratigrafica e meccanica (in campo statico e dinamico) dei primi 30 m di deposito (sondaggi stratigrafici, prove CPT, prove SPT, prove DH, sismica superficiale, granulometrie, prove RC e TTC, prove TXC, ecc.) Per analisi di liquefazione e di RSL sono preferibili misure continue in verticale Per analisi di liquefazione dinamiche occorre eseguire specifiche prove di laboratorio a rottura (prove triassiali cicliche, TXC) - caratterizzazione dell acquifero (pozzi con piezometri per il monitoraggio della falda, misure di permeabilità, ecc.) 31/42

e in Sito. da: - Data-Base ER - CISPADANA Note: - prove CIS localizzate - prove CPT DB-RER (meccaniche, da digitalizzare, entro i primi 10 m, ) - scarsità di misure sismiche superficiali e in foro - non sono disponibili prove di laboratorio INDAGINI DISPONIBILI (1096) (937) 32/42

e in Sito. Prove in sito: - 14 sondaggi (BH) a profondità comprese tra 8 e 40 m - 14 CPTU a profondità comprese tra 20 e 30 m - 5 DH a profondità comprese tra 30 e 40 m - 6 misure di microtremori (MM) - 3 prove di sismica passiva (ESAC) - 3 prove di sismica a rifrazione (SR) - 3 profili di resistività elettrica - 7 rilievi con georadar MM SR ESAC San Carlo 33/42

e in Sito. Prove di laboratorio: - 6 prove triassiali consolidate isotropicamente non drenate (TXCIU) - 2 prove di taglio diretto (DS) - 1 prova di taglio anulare (RS) - 3 prove di colonna risonante (RC) - 21 prove triassiali con consolidazione isotropa e rottura ciclica non drenata (CTXCIU) - Apparecchiatura RC (UNIFI) - 2 prove edometriche (EDO) 34/42

Monitoraggio della falda San Carlo 35/42 e in Sito.

Dott. Ing. Johann Facciorusso e in Sito. Monitoraggio topografico 36/42

e in Sito. da prove DH Quota (m s.l.m.) Velocità onde di taglio V SVH (m/s) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0-2 -4-6 -8-10 -12-14 DH-S10 (SC-C) DH-01 (SC-C) -16 DH-02 (SC-C) -18 DH-03 (SC-D) DH-04 (SC-D) -20 DH-CPTU605 (SC-D) -22 VS-mean -24 da prove RC 37/42

17.7 m s.l.m. (A) Rilevato di paleoargine, sabbia fine alternata a limi EC1 (B) Unità dei canali fluviali (riempimento del paleolaveo): limi sabbiosi alternati a sabbie limose con corpo lenticolare di sabbie fini (C) Unità delle paludi (depositi di piana): argille e limi con abbondante frazione organica (D) Unità delle piana alluvionale: limi sabbiosi e sabbie limose con intercalazione di orizzonte di sabbie fini e medie Sommità dell argine M1C1 EC1 M1C2 S10C1 M1C3 EC1 S10C2 EC2 0 m 4 m 6.5 m 12.3 m 14.3 m 20 m 26.3 m 34 m 40.2 m Profondità (m) Vs (m/s) (kn/m3) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 15 1000 20 25 1100 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Analisi della RSL a g = 0.153 g V S,30 = 180 m/s CAT. = C/D SS = 1.4/1.8 FA (PGA) =1.4 FA (HI) =2.6 (E) Sabbie prevalenti (F) Argille e limi prevalenti Substrato -106 m s.l.m. m EC2 EC3 EC4 79 m 124 m 60 65 70 75 80 85 120 125 130 0 Pseudo-accelerazione (g) 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Input 1 Input 2 Input 3 Output1 (sommità) Output 2 (sommità) Output 3 (sommità) Output 1 (base) Output 2 (base) Output 3 (base) Terreno-C Terreno-D 38/42 0 1 2 3 4 Periodo (s)

Analisi della pericolosità di liquefazione PGA = 0.228 g; M = 6.14; MSF = 1.8 0 1 2 3 4 I 5 c 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 18 LPI 16 14 mean mean -/+ sd 16 14 CPTU1 CPTU2 CPTU3 CPTU4 CPTU5 12 10 CPTU6 CPTU7 CPTU8 CPTU9 CPTU10 8 SCPTU1 SCPTU2 6 6 SCPTU3 SCPTU4 4 2 0-2 39/42 e in Sito. Low liquefaction hazard Moderate liquefaction hazard High liquefaction hazard Very high liquefaction hazard Quota (m s.l.m.) 12 10 8 7 - Gravelly sand to sand 6 - sands 5 - sand mixtures 4 - silt mixtures 3 - clays 2 - organic soils-peats Quota (m s.l.m.) 4 2 0-2

40/42 e in Sito.

Grazie per l attenzione!

http://www.dicea.unifi.it/geotecnica http://www.dicea.unifi.it/~johannf/ johannf@dicea.unifi.it