Corso di progetto di strutture in zona sismica
Prof. Calvi
SISMICITA’ E RISCHIO SISMICO
Filippo DACARRO
European Centre for Training and Research in Earthquake Engineering
Università degli Studi di Pavia, Italy
[email protected]
L’esame
•N°2 Prove in itinere;
•Progetto edificio in c.a. – Zona 1=accelerazione attesa a livello
della fondazione superiore a 0,25g;
•Numero minimo di piani fuori terra=4+piano terra;
•Dimensione minima inscrivibile in un rettangolo 40x60;
•Orale;
•Il progetto dovrà essere consegnato prima dell’orale;
•Al progetto sarà assegnato un peso 0,4 mentre 0,3 sarà
assegnato agli scritti;
•Non sono ammessi gruppi di progettazione formati da più di 3
persone.
Dynamics of Structures
Anil K. Chopra
COS’È UN TERREMOTO ?
Improvviso rilascio di energia
accumulata dalle rocce in
profondità che, sottoposte
alle azioni dei continui
movimenti della crosta
terrestre, si rompono lungo
superfici di scorrimento
chiamate faglie.
Parte di tale energia è
liberata sotto forma di onde
sismiche, che provocano lo
scuotimento del suolo in
superficie
.
Circa 2 miliardi di persone vivono in aree a rischio sismico
Le vittime dei terremoti dall’inizio del secolo sono state:
circa 1.400.000 nel mondo
circa 150.000 in Italia
Il fenomeno
fisico
TETTONICA DELLE PLACCHE
Placche
convergenti
Placche
divergenti
Continente
Le placche di litosfera poggiano
su di uno strato viscoso
(astenosfera). Il loro moto
relativo è dovuto ad uno
squilibrio termico interno alla
Terra, che innesca moti
convettivi nello strato
corrispondente al mantello.
Due teorie:
1) comportamento PASSIVO
delle placche “galleggianti” sul
mantello
2) Comportamento ATTIVO
delle placche, che prendono
direttamente parte al processo
convettivo, subendo processi
di riscaldamento e
raffreddamento
Da: Press and Siever, 1994 and USGS
MARGINI DELLE PLACCHE
a) MARGINI DIVERGENTI: le placche A e B si allontanano,
MARGINI CONVERGENTI: le placche B e C entrano in collisione (zone di
subduzione, i terremoti hanno origine particolarmente in queste zone).
b) MARGINI TRASFORMI: le placche A e B scorrono lateralmente fra di loro
Da: Press and Siever (1994)
TIPI DI FAGLIE
Faglia DIRETTA – espansione
Faglie TRASFORMI – taglio
Faglia INVERSA – subduzione
FAGLIA OBLIQUA
Gli scorrimenti delle faglie reali sono rappresentabili mediante una
combinazione (sovrapposizione) dei movimenti descritti
Da: Press and Siever (1994)
ESEMPIO: LA FAGLIA DI SAN ANDREAS, CARRIZO PLANE,
CALIFORNIA
Il complesso di San Andreas è costituito da un
insieme di faglie, anche se generalmente si
parla di “faglia” trasforme.
Esso rappresenta il limite di separazione fra la
placca pacifica e quella nordamericana. In
sintesi, mentre Los Angeles si muove in
direzione delle isole Hawaii, la “vicina”
Berkeley si muove insieme a New York sulla
placca nordamericana.
Tale zona è estremamente significativa da un
punto di vista scientifico perché permette
l’osservazione diretta e lo studio sia dei
meccanismi di faglia, sia dei frequenti eventi
sismici associati
Una caratteristica particolare è che, mentre
tutto il complesso è contraddistinto da una
elevata sismicità, la porzione centrale è una
faglia “inattiva”
MECCANISMO DI GENESI DEI TERREMOTI
Le faglie sono da ritenersi l’origine, piuttosto che
l’effetto di un terremoto, da esse generato
secondo il seguente schema:
1) Due blocchi crostali, separati da una
superficie di faglia, si trovano nella
posizione originaria indeformata.
Lungo la superficie di faglia si ha un
progressivo accumulo di sforzi.
2) Tale accumulo di sforzi provoca una
deformazione elastica della zona
interessata
3) Raggiunto il limite di rottura in un punto,
si ha uno scorrimento dei due ammassi
rocciosi lungo la superficie di faglia, con
concomitante rilascio istantaneo di
energia
4) I due ammassi rocciosi raggiungono ad
una nuova condizione di equilibrio
(configurazione indeformata, non più
coincidente con la posizione originaria)
PROPAGAZIONE DELLE ONDE SISMICHE
Ipocentro: punto in cui ha origine la scossa sismica
o rilascio di energia
Epicentro: intersezione della verticale all’ipocentro
con la crosta terrestre
epicentro
faglia
ipocentro o
fuoco
Distanza focale: distanza di un punto della
superficie dall’ipocentro
Distanza epicentrale: distanza di un punto della
superficie dall’epicentro
Le onde sismiche si diffondono dall’ipocentro
in direzione radiale. Attraversando gli strati
all’interno della Terra, subiscono fenomeni di
rifrazione e riflessione, esattamente come
quando un raggio luminoso passa da un
mezzo ad un altro con caratteristiche diverse
TIPI DI ONDE SISMICHE
Onde di volume (si propagano in un mezzo
continuo)
Onde P (“primarie” o “longitudinali”):
longitudinali alla direzione del moto, sono le
più veloci (v ~ 5 ÷ 7 km/s), producono i tipici
boati, responsabili dei maremoti
Onde S (“secondarie” o “trasversali”):
perpendicolari alla direzione di vibrazione,
non si propagano in acqua, v ~ 3 ÷ 4 km/s
Onde di superficie (si propagano in superficie,
sono la principale causa dello scuotimento
del suolo e dei danni ambientali, v = 3.5
km/s)
Onde di Love: vibrano in un piano parallelo
alla superficie terrestre, perpendicolarmente
alla direzione dell’onda
Onde di Rayleigh vibrano in un piano
perpendicolare alla superficie terrestre e
inducono un movimento ellittico nelle
particelle interessate
La misura del
terremoto
STRUMENTI DI MISURA DEI TERREMOTI
Sismoscopio di Chang: primo strumento per la misurazione dei
terremoti, costruito in Cina nel 132 A.C.
Le bocche dei draghi tengono delle palline tramite dei meccanismi a
leva, connessi ad un pendolo interno. Si riteneva che la direzione
dell’epicentro fosse indicata dalla prima pallina che cadeva.
Gli effetti sulle strutture in un sito non indicano la
grandezza di un terremoto
Per misurare le caratteristiche di un terremoto occorre
disporre di una registrazione oggettiva strumentale dello
scuotimento.
Lo strumento impiegato è il sismografo/accelerometro
‘strong motion’.
Questi strumenti registrano l’accelerazione del terreno
nel tempo
Sismografo e tipi di pendoli per sismografi a
lungo periodo per la misura degli
spostamenti (pendolo orizzontale e pendolo
inverso)
REGISTRAZIONE DEI TERREMOTI
Onde P
Onde S
Onde L
⎛1 1⎞ ⎛1 1⎞
TSP = ⎜⎜ − TSP⎟⎟ ⋅=∆⎜⎜ − ⎟⎟ ⋅ ∆
⎝ VS VP ⎠ ⎝ VS VP ⎠
Accelerogramma: accelerazione
in funzione del tempo).
L’intervallo TSP misura lo
sfasamento tra le onde P e S e
consente di ricavare la distanza
∆ della stazione di registrazione
dall’ipocentro del terremoto. La
posizione assoluta
dell’ipocentro è determinata
dall’intersezione delle
registrazioni di tre stazioni
Componente N-S del
terremoto di El Centro
(California, 1940), in termini
di accelerazione, velocità e
spostamento
MISURA DELLA GRANDEZZA DEI TERREMOTI
MAGNITUDO (scala Richter)
Definita da Richter nel 1935
attraverso la misura dell’ampiezza
massima della traccia registrata dal
sismografo, rapportata con una
misura di riferimento standard. È indipendente
dagli effetti che il terremoto provoca sull’uomo e
sulle costruzioni. Permette di confrontare eventi
sismici avvenuti in diverse parti del Mondo ed in
tempi diversi.
E’ proporzionale alla lunghezza di faglia ed
all’energia rilasciata
Correlazione appprossimata tra l’intensità
epicentrale (MCS) e la magnitudo di Richter
scala
Richter
scala
Mercalli
I
non percepito
2.0
II
III
IV
percezione crescente,
reazioni di paura, caduta
di oggetti, senza danni
V
VI
4.0
danni lievi
VII
INTENSITA’ (scala di Mercalli)
Scala empirica che misura gli effetti di
un terremoto sull’ambiente, sulle
persone, sugli edifici. È una
grandezza meno rappresentativa
perchè dipendente dalle condizioni di misura, ma
permette di classificare i terremoti del passato
3.0
5.0
VIII
IX
X
crolli e distruzione di una
percentuale crescente di
edifici
XI
XII
6.0
7.0
storicamente mai raggiunto
PARAMETRI DEL LIVELLO DI SCUOTIMENTO
•
Magnitudo
– Più grande è la magnitudo, maggiore è l’energia rilasciata
•
Distanza
– Lo scuotimento si attenua con la distanza, a causa dell’amplificazione
delle dimensioni del fronte d’onda e di dissipazioni energetiche
•
Condizioni locali del suolo
– Amplificazione dovuta alle diverse caratteristiche degli strati di terreno
dall’ipocentro fino in superficie
Approssimativamente, terremoti in
grado di provocare vittime e seri danni
agli edifici, possono essere
caratterizzati da una magnitudo da 5.5
in su.
L’incremento di una unità di magnitudo
corrisponde a un incremento di energia
rilasciata pari a circa trenta volte.
M=5
M=6
M=7
I PIÙ GRANDI TERREMOTI NEL MONDO
TERREMOTI DEGLI ULTIMI 100 ANNI IN ORDINE DI MAGNITUDO
Zona
Anno
Magnitudo
1
Cile
1960
9.5
2
Prince William Sound, Alaska
1964
9.2
3
Andreanof Islands, Alaska
1957
9.1
4
Al largo di Sumatra, Indonesia
2004
9
5
6
Kamchatka
Al lrago della costa dell'Ecuador
1952
1906
9
8.8
7
Northern Sumatra, Indonesia
2005
8.7
8
Rat Islands, Alaska
1965
8.7
9
10
Assam - Tibet
Ningxia-Gansu, China
1950
1920
8.6
8.6
11
Kuril Islands
1963
8.5
12
Banda Sea, Indonesia
1938
8.5
TERREMOTI STORICI IN ORDINE DI PERDITE DI VITE UMANE
Zona
Anno
Perdite umane
1
Regione dello Shansi, Cina
2
Calcutta, India
1737
300000
3
Antiochia, Siria
1526
250000
4
Tientsin e Tangshan,Cina
1976
242000 – M= 8.2
5
6
Tokyo, Giappone
Tokyo e Yokohama
1707
1923
200000
200000 – M= 8.3
7
Nan-chan, Cina
1927
200000 – M= 8.3
8
Sud Est Asiatico
2004
140000 – M= 9.0
9
Hokkaido
1730
130000
10
Turkmeinstan, URSS
1948
110000
11
12
13
Chihli, Cina
Gansu, Cina
Reggio Calabria e Messina, Italia
1290
1920
1908
100000
100000 – M= 8.6
86000 – M= 7.2
1556
830000
Gli effetti del
terremoto in Italia
Terremoto di Reggio Calabria e Messina, 1908
Terremoto del Friuli, 1976
Terremoto in Irpinia e Basilicata, 1980
Terremoto di Umbria e Marche, 1997
Terremoto del Molise, 2002
Terremoto dell’Aquila, 2009
REGGIO CALABRIA E MESSINA , 1908
M = 7.2, 86000 VITTIME
Messina, 27 dicembre 1908
Messina, 29 dicembre 1908
FRIULI , 1976
M = 6.5, 922 VITTIME
IRPINIA E BASILICATA, 1980
M = 6.9, 2800 VITTIME
UMBRIA E MARCHE, 1997 M = 5.9
11 VITTIME
MOLISE, 2002 M = 5.6
34 VITTIME
ABRUZZO, 2009 M = 6.3
300 VITTIME; 70.000 SFOLLATI
Abruzzo, 2009
Nel Mondo
Pakistan, 2005
Algeria, 2003
Turchia, 1999
Esempi di inadeguata
risposta sismica
delle strutture
COLLASSO PER PIANO DEBOLE
ESPULSIONE TAMPONATURE E PIANO DEBOLE CON
COLLASSO VERTICALE
COLLASSO PER CARENZE IN FONDAZIONE
IRREGOLARITÀ IN PIANTA ED IN ELEVATO
1) Si possono prevedere i
terremoti?
2) Si può annullare (o almeno
ridurre) l’effetto distruttivo dei
terremoti?
1) Si possono prevedere i
terremoti?
• I tentativi di prevedere i terremoti
risalgono agli albori dell’umanità
• La storia della sismologia è ricca di
personaggi che hanno rivendicato la
“scoperta” di metodi per prevedere i
terremoti: Aggarwal, Varotsos, Bakun,
Kossobokov,… e anche in Italia:
Bendandi, Giuliani..
• Addirittura negli anni ’70 in California si
era arrivati a formulare una “teoria della
prevsione”: la teoria della dilatanzadiffusione:
– Sotto forte carico la roccia si dilata per
l’apertura di microfratture
– Le microfratture si riempiono d’acqua e si
propagano
– Ciò diminuisce la resistenza meccanica
– E porta alla rottura
La “teoria” è semiempirica e fonda tutta la sua
credibilità sulla osservazione di fenomeni precursori
A-INCLINAZIONE DEL TERRENO
B-DIFFERENZIALE DI POTENZIALE
ELETTRICO
C-COMPORTAMENTI ANIMALI ANOMALI
D-VARIAZIONI DELLA FALDA ACQUIFERA
E-SCOSSE SISMICHE
F-CONCENTRAZIONE DI Rd
• Messa alla prova in innumerevoli casi
questa teoria ha fatto fiasco, al pari di
ogni altro “metodo” di previsione
• In un caso però, clamorosamente,
sembrò funzionare:
Haicheng, Cina, 1975: Un grande terremoto –
l’unico in tutta la storia – previsto con
successo?
La “previsione” di Haicheng
• A metà dicembre 1974 si verifica uno sciame sismico nelle vicinanze di Liaoyang,
circa 70 km a N di Haicheng. La scossa principale, M=4.8, fu avvertita in un’area
vasta, ma gli “esperti” tranquillizzarono la popolazione poiché questa era nota
come regione a bassa sismicità.
• Inizia comunque l’osservazione del comportamento degli animali e del livello
dell’acqua dei pozzi in tutta la regione Shenyang-Tantung-Dairen, ma non si trova
nessun segnale chiaro.
• inizia anche l’osservazione della inclinazione del terreno, della sua resistività’
elettrica, del livello del radon, ma anche questa senza alcun segnale chiaro.
•Uno violento sciame di scosse sismiche ad Haicheng inizia il 1 febbraio e
raggiunge il picco la sera del 3 febbraio. 10 eventi ebbero M>3 e 2 ebbero
M>4.
4 FEBBRAIO 1975: la scossa principale,
M= 7.3
Dall’analisi dei sismogrammi si ricavano i dati della faglia
sorgente: non coincidono con nessuna faglia nota
Bilancio dell’evento: 2.041 MORTI e 27.538
FERITI, 90% DEGLI EDIFICI DISTRUTTI
Se non fosse stata evacuata la città si
stimano più di 150.000 TRA MORTI E
FERITI
UNA PREVISIONE AZZECCATA?
NO!
I DOCUMENTI MOSTRANO INEQUIVOCABILMENTE
CHE
NON CI FU ALCUNA PREVISIONE, NE’ ALCUN ORDINE
DI EVACUAZIONE.
SPAVENTATA DALLE SCOSSE, LA GENTE
ABBANDONO’ SPONTANEAMENTE LA CITTA’
L’INCAPACITA’ DEGLI
SCIENZIATI CINESI DI
PREVEDERE I TERREMOTI
CONFERMATA IL 28 LUGLIO
1976, DA TANGSHAN M=7.6
TANGSHAN, florida città industriale con 1 milione di abitanti
NESSUN FENOMENO PRECURSORE,
NESSUNO SCIAME,
NESSUNA EVACUAZIONE:
250.000 MORTI e 164.000 FERITI
Quindi…
• Haicheng è stato solo un caso
eccezionalmente fortunato
• Un caso in cui il terremoto si “è previsto
da solo”
• Una cosa analoga stava succedendo a
L’Aquila
In generale, però…
Ari Ben-Menahem, in A Concise History of Mainstream Seismology: Origins,
Legacy, and Perspectives, BSSA 1995, p. 1216:
``1992 14 April. Unpredicted earthquake of magnitude 6
in the heart of Europe, amidst hundreds of
seismographs, computers, and professors of
seismology. Just another reminder that even with all
the accumulated seismological lore since the Lisbon
earthquake (1755), we are still as surprised by
earthquakes now as we were then."
In conclusione
Non esiste evidenza scientifica della possibilità di
prevedere un terremoto
Fenomeni fisici intrinsecamente
imprevedibili
Tutti quelli in cui la fisica di base è non-lineare.
Non necessariamente devono essere complessi.
Si pensi al lancio di un moneta: si può prevedere
con certezza il risultato del prossimo lancio?
I terremoti sono fratture e la fisica delle fratture è
altamente non-lineare
2) Si può annullare (o almeno ridurre)
l’effetto distruttivo dei terremoti?
• Deve essere possibile giacché un
terremoto poco più piccolo di quello
dell’Aquila (M=5.0 anziché M=5.8) nel
centro di Los Angeles poco prima non
ha prodotto il benché minimo danno.
Le dimensioni del problema
A partire dal 1000 d.C fino ad oggi, almeno
200 terremoti hanno avuto effetti disastrosi in
Italia
La distruzione dei terremoti
• L’attenzione dei media è concentrata sulle vittime
• Ma la mortalità da terremoto è bassa
Poca cosa in
confronto alle
malattie o agli
incidenti stradali
E’ marginale anche
rispetto ad altre
catastrofi naturali
I terremoti sono delle catastrofi
soprattutto dal punto di vista
economico: il costo del terremoto
dell’Aquila del 6 aprile 2009 è
stimabile in almeno 100 miliardi di
Euro.
L’Italia è un paese ad alto rischio
sismico
Il Rischio Sismico
Il Rischio Sismico è frutto della combinazione di tre
elementi
1. La pericolosità
2. La vulnerabilità
3. L’esposizione
L’approccio di difesa dai terremoti seguito in Italia
nell’ultimo ventennio
•
Si è basato su
1. Carta di pericolosità sismica. E’ più o meno la
stessa da 40 anni.
2. Normativa antisismica rigorosa. Ma solo per i
fabbricati di nuova costruzione, che sono il 10%
del totale.
3. Ricerca geofisica di base. Purtroppo di nessuna
utilità pratica
L’approccio seguito in Italia
•
Sono mancate totalmente:
1. Una mappa dell’amplificazione sismica
2. Una mappa della vulnerabilità sismica
3. Una mappa combinata della vulnerabilità
e del valore esposto
4. Una normativa di intervento sul
patrimonio edilizio esistente, che è oltre il
90% del totale
E’ un approccio che si è mostrato
drammaticamente sbagliato
La mappa dell’amplificazione sismica è ben più
importante della mappa di pericolosità!
Distruzione totale a Onna
Abruzzo, Aprile 2009
Pochi cornicioni
caduti a Monticchio
I due paesi sono a 1 chilometro di distanza l’uno dall’altro, esattamente all’epicentro del
terremoto dell’Aquila e quindi con identica pericolosità, ed hanno identiche tipologie
costruttive
L’importanza fondamentale del valore
esposto
• In Italia il patrimonio storico monumentale è un
bene dell’Umanità:
• E nostro dovere proteggerlo in modo adeguato.
• Anche perché per l’Italia è fonte di una delle
industrie più importanti: il turismo
• Durante il terremoto dell’Umbria (1997) la
Basilica di Assisi crollò sotto gli occhi del mondo.
Le aree in cui intervenire sono note
Come note sono le tecniche di
costruzione antisismica
Non serve ricercare
tecniche esotiche:
basta la classica
controventatura
La Torre dell’Embarcadero di San Francisco,
all’epicentro del terremoto del 1906, M=7.9, subì
solo danni modesti
Occorre solo pianificare le priorità di
intervento
• Identificare le zone specifiche in cui è
massima l’amplificazione sismica
• Identificare i singoli edifici in cui la
vulnerabilità sismica è alta
• Incrociare i dati di amplificazione con quelli di
pericolosità, di vulnerabilità e di valore
esposto
• Stabilire le priorità di intervento
Le valutazioni di amplificazione sismica e di
vulnerabilità sono facili, rapide e poco costose
Analisi modale
passiva del terreno
Tromografo
digitale portatile
Analisi modale
passiva
dell’edificio (Torre
degli Asinelli, Bologna)
In conclusione,
• Ridurre gli effetti distruttivi dei terremoti non
solo è possibile: è prassi consolidata da quasi
un secolo in tutti i paesi sismici con
un’economia a livello di G8.
• L’Italia è allineata al 3° mondo a causa di
scelte drammaticamente sbagliate
• Occorre cambiare rotta. Possibilmente prima
della prossima catastrofe.