Studi di Microzonazione sismica: Teoria e Applicazioni
GLI EFFETTI DI SITO E LA
MICROZONAZIONE SISMICA
Prof. Claudio Eva
Corso di aggiornamento per geologi: Aosta 18-19 Ottobre 2011
Elementi legislativi di riferimento
Con DM del 14/1/ 2008 vengono emanati i nuovi dati
di pericolosità sismica per le Nuove Norme
Tecniche per le Costruzioni (NTC).
Nel giugno 2008 vengono emanate le nuove norme
tecniche la cui applicazione diviene obbligatoria
nel Giugno 2009.
Le NTC recepiscono tutte le indicazioni dei vari DM
emanati a partire dal 2003
Nel marzo 2009 vengono pubblicati dal SSN gli
Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica
(ICMS)
MODIFICHE APPPORTATE
• Introduzione di valori puntuali di pericolosità sismica
• Maggiore flessibilità sulla zonazione con l’uso di
sottozone
• Suddivisione delle costruzioni per classe di
importanza.
• Definizione migliore di SLU, SLD
• Introduzione di valori di probabilità di eccedenza
(PGA) per le diverse classi di edifici
• Introduzione dello spettro per lo SLD
• Revisione delle norme che regolano l’uso di
sismogrammi simulati(sintetici), artificiali e naturali
• Possibilità di non utilizzazione di prove DH
Le NTC prendono le mosse dalle seguenti considerazioni:
La “pericolosità sismica di base”, costituisce l’elemento di
conoscenza primario per la determinazione delle azioni sismiche.
La pericolosità sismica in un generico sito deve essere descritta in
modo da renderla compatibile con le NTC e da dotarla di un
sufficiente livello di dettaglio, sia in termini geografici che in termini
temporali; tali condizioni possono ritenersi soddisfatte se i risultati
dello studio di pericolosità sono forniti:· in termini di valori di
accelerazione orizzontale massima ag (PGAH) e dei parametri
che permettono di definire gli spettri di risposta ai sensi delle NTC,
nelle condizioni di sito di riferimento rigido orizzontale · in
corrispondenza dei punti di un reticolo (reticolo di riferimento) i cui
nodi sono sufficientemente vicini fra loro (non distano più di 10 km);·
per diverse probabilità di superamento in 50 anni e/o diversi
periodi di ritorno TR ricadenti in un intervallo di riferimento
compreso almeno tra 30 e 2475 anni, estremi inclusi;
La
La zonazione
zonazione sismica
sismica 2003
2003
Le zone sismiche vengono definite in
base all’accelerazione orizzontale attesa
espressa in termini di probabilità di
superamento pari al 10% in 50 anni
(equivalente ad un periodo di ritorno di
475 anni)
Gli stati limite ultimi sono:
- Stato Limite di salvaguardia della Vita (SLV): a seguito del
terremoto la costruzione subisce rotture e crolli dei componenti non
strutturali ed impiantistici e significativi danni dei componenti strutturali
cui si associa una perdita significativa di rigidezza nei confronti delle
azioni orizzontali; la costruzione conserva invece una parte della
resistenza e rigidezza per
azioni verticali e un margine di sicurezza nei confronti del collasso per
azioni sismiche orizzontali;
- Stato Limite di prevenzione del Collasso (SLC): a seguito del
terremoto la costruzione subisce gravi rotture e crolli dei componenti
non strutturali ed impiantistici e danni molto gravi dei componenti
strutturali; la costruzione conserva ancora un margine di sicurezza per
azioni verticali ed un esiguo margine di sicurezza nei confronti del
collasso per azioni orizzontali.
PVR : Probabilità di
superamento nel periodo di
riferimento VR (50/100 anni)
Stati limite
Stato limite di esercizio
Stato limite ultimo
SLO
81%
SLD
63%
SLV
10%
SLC
5%
Probabilità di eccedenza e periodi di ritorno
TR per n=50
PI  I 0   2.5%
1975
PI  I 0   5%
975
PI  I 0   10%
475
PI  I 0   25%
175
PI  I 0   50%
72
PI  I 0   63%
50
PI  I 0   83%
30
DAL D.M. su Normative tecniche per le costruzioni
Le strutture vengono ripartite in base alla vita utile di progetto e su
questa base vengono indicate le probabilità di eccedenza per cui
deve essere calcolato il valore di ag
Probabilità di Probabilità di
superamento superamento
SLE
SLU
Tipologia di
struttura
Vita utile
Classe 1
50 anni
10% in
50anni
T ~ 475 anni
50%in 50anni
T~72 anni
Classe 2
100 anni
5% in 50 anni
T ~ 975 anni
30% in
50anni
T ~ 140 anni
Le forme spettrali previste dalle NTC sono definite, su sito di riferimento rigido
orizzontale, in funzione dei tre parametri:
· ag accelerazione orizzontale massima del terreno;
· F0 valore massimo del fattore di amplificazione dello spettro in accelerazione
orizzontale;
· T’C periodo di inizio del tratto a velocità costante dello spettro in
accelerazione orizzontale.
Per ciascun nodo del reticolo di riferimento e per ciascuno dei periodi di ritorno TR
considerati dalla pericolosità sismica, i tre parametri si ricavano riferendosi ai
valori corrispondenti al 50esimo percentile ed attribuendo a:
· ag il valore previsto dalla pericolosità sismica,
· F0 e T’C i valori ottenuti imponendo che le forme spettrali in accelerazione,
velocità e spostamento previste dalle NTC scartino al minimo dalle corrispondenti
forme spettrali previste dalla pericolosità sismica (la condizione di minimo è
imposta operando ai minimi quadrati, su spettri di risposta normalizzati ad uno,
per ciascun sito e ciascun periodo di ritorno).
Le forme spettrali previste dalle NTC sono caratterizzate da prescelte probabilità
di superamento vite di riferimento.
Valore di ancoraggio dello spettro
Fattore di amplificazione spettrale
massima
Inizio del tratto dello spettro ad accelerazione
costante,
F0
Inizio del tratto a velocità costante dello spettro
Inizio del tratto a spostamento
costante dello spettro,
ag
TB
TC
TD
Spettro di risposta elastico e definizione dei parametri identificativi
Lo spettro di risposta elastico della componente orizzontale
è definito dalle espressioni seguenti:
0  T  TB
TB  T  Tc
T
1  T
S e T   a g .S.η.F0  
1

 Tg η.F0  Tg
S e T   a g .S.η.F0
Tc  T  TD
TD  T




 Tc 
S e T   a g .S.ηS 0  
T 
 TC .TD 
S e T   a g .S.η.F0 . 2 
 T 
T ed Se sono, rispettivamente, periodo di vibrazione ed accelerazione
spettrale orizzontale
Accelerazione massima su terreno rigido
Fattore del suolo (Ss+St)
Fo è il fattore che quantifica l’amplificazione spettrale massima, su sito di
riferimento rigido orizzontale, ed ha valore minimo pari a 2,2;
TC è il periodo corrispondente all’inizio del tratto a velocità costante dello
spettro, dato da
TC = CC ×T’C ,
dove
TC’ è il periodo di inizio del tratto a velocità costante dello spettro in
accelerazione orizzontale, e CC è un coefficiente funzione della categoria di
sottosuolo
TB è il periodo corrispondente all’inizio del tratto dello spettro ad
accelerazione costante,
TB = TC /3 ,
TD è il periodo corrispondente all’inizio del tratto a spostamento costante dello
spettro, espresso in secondi mediante la relazione:
TD  4.0
ag
g
 1.6
Tabella tratta dalle NTC che riporta in modo puramente indicativo i
parametri utili per il computo dello spettro elastico da utilizzare
TR=30
TR=50
TR=72
TR=101
ID
Lon
LAT
ag
Fo
Tc
ag
Fo
Tc
ag
Fo
Tc
ag
Fo
Tc
13111
6.5448
45.134
0.263
2.50
0.18
0.340
2.51
0.21
0.394
2.55
0.22
0.469
2.49
0.24
13333
6.5506
45.085
0.264
2.49
0.18
0.341
2.51
0.21
0.395
2.55
0.22
0.469
2.49
0.24
13555
6.5564
45.035
0.264
2.50
0.18
0.340
2.51
0.20
0.393
2.55
0.22
0.466
2.50
0.24
13777
6.5621
44.985
0.263
2.50
0.18
0.338
2.52
0.20
0.391
2.55
0.22
0.462
2.51
0.24
12890
6.6096
45.188
0.284
2.46
0.19
0.364
2.51
0.21
0.431
2.50
0.22
0.509
2.48
0.24
13112
6.6153
45.139
0.286
2.46
0.19
0.366
2.51
0.21
0.433
2.50
0.22
0.511
2.48
0.24
Nelle Tabelle delle NTC vengono forniti, per 10751 punti del reticolo di
riferimento e per 9 valori del periodo di ritorno TR (30 anni, 50 anni, 72
anni, 101 anni, 140 anni, 201 anni, 475 anni, 975 anni, 2475 anni), i
valori dei parametri ag, F0, T*C da utilizzare per definire l’azione sismica
nei modi previsti dalle NTC.
I punti del reticolo di riferimento sono definiti in termini di Latitudine e
Longitudine ed ordinati a Latitudine e Longitudine crescenti, facendo
variare prima la Longitudine e poi la Latitudine.
L’accelerazione al sito ag è espressa in g/10; F0 è adimensionale,
T* C è espresso in secondi.
Definizione di nuove classi di suolo
Categ.
suolo
Descrizione
A
Ammassi rocciosi affioranti o terreni molto rigidi caratterizzati da valori di
Vs,30 superiori a 800 m/s,eventualmente comprendenti in superficie uno
strato di alterazione, con spessore massimo pari a 3 m.
B
Rocce tenere e depositi di terreni a grana grossa molto addensati o terreni
a grana fina molto consistenti con spessori superiori a 30 m,
caratterizzati da un graduale miglioramento delle proprietà meccaniche con
la profondità e da valori di Vs,30 compresi tra 360 m/s e 800 m/s (ovvero
NSPT,30 > 50 nei terreni a grana grossa e cu,30 > 250 kPa nei terreni a
grana fina).
C
Depositi di terreni a grana grossa mediamente addensati o terreni a grana
fina mediamente consistenti con spessori superiori a 30 m, caratterizzati
da un graduale miglioramento delle proprietà meccaniche con la profondità
e da valori di Vs,30 compresi tra 180 m/s e 360 m/s (ovvero 15 < NSPT,30
< 50 nei terreni a grana grossa e 70 < cu,30 < 250 kPa nei terreni a grana
fina).
Cat.
suolo
Descrizione
D
Depositi di terreni a grana grossa scarsamente addensati o di
terreni a grana fina scarsamente consistenti, con spessori
superiori a 30 m, caratterizzati da un graduale miglioramento
delle proprietà meccaniche con la profondità e da valori di Vs,30
inferiori a 180 m/s (ovvero NSPT,30 < 15 nei terreni a grana
grossa e cu,30 < 70 kPa nei terreni a grana fina).
E
Terreni dei sottosuoli di tipo C o D per spessore non superiore
a 20 m, posti sul substrato di riferimento (con Vs > 800 m/s).
La classificazione in 5 categorie appare purtroppo carente perché
non prevede tutte le situazioni geologico-tecniche e quelle previste
sono individuate con criteri insufficienti (utilizzo del solo parametro
VS,30).
Categorie aggiuntive di sottosuolo
Categoria
Descrizione
S1
Depositi di terreni caratterizzati da valori di Vs,30 inferiori a 100
m/s (ovvero 10 < cu,30 < 20 kPa), che includono uno strato di
almeno 8 m di terreni a grana fina di bassa consistenza, oppure
che includono almeno 3 m di torba o di argille altamente
organiche
S2
Depositi di terreni suscettibili di liquefazione, di argille sensitive
o qualsiasi altra categoria di sottosuolo
Per sottosuoli appartenenti alle categorie S1 ed S2 è necessario predisporre specifiche
analisi per la definizione delle azioni sismiche, particolarmente nei casi in cui la
presenza di terreni suscettibili di liquefazione e/o di argille d’elevata sensitività possa
comportare fenomeni di collasso del terreno.
Bonefro area PIP: argille di copertura sovrapposte a formazione di
Tufillo
BONEFRO Area PIP: formazione di Tufillo (basale?)
Cat.
suolo
SS
CC
A
1.00
1.00
B
C
D
E
1.00  1.40-0.40  F0
ag
g
1.00  1.70  0.60  F0
0.90  2.40  1.50  F0
1.00  2.00  1.10  F0
 1.20
ag
g
ag
g
ag
g
 1.50
 1.80
 1.60
 
1.10  TC'
0.20
 
' 0.33
C
1.05  T
 
' 0.50
C
1.25  T
 
' 0.40
C
1.15  T
Prof. Claudio Eva- Università degli Studi di Genova
Amplificazione topografica
Per configurazioni superficiali semplici si può adottare la seguente classificazione
Categoria Caratteristiche della
superficie topografica
Ubicazione dell’opera o
dell’intervento
ST
Superficie pianeggiante, pendii
e rilievi isolati con inclinazione
media i ≤ 15°
-----
T2
Pendii con inclinazione media i
> 15°
In corrispondenza della sommità
del pendio
T3
Rilievi con larghezza in cresta
molto minore che alla base e
inclinazione media 15° ≤ i ≤ 30°
In corrispondenza della cresta del 1.2
rilievo
T4
Rilievi con larghezza in cresta
molto minore che alla base e
inclinazione media i > 30°
In corrispondenza della cresta del 1.4
rilievo
T1
----1.2
ELEMENTI DI APPROFONDIMENTO NECESSARI PER
L’INTERPRETAZIONE DELLA NORMATIVA
•
•
•
•
•
•
•
•
Pericolosità sismica
Input sismico
Spettro di sorgente e spettro al bedrock
Spettro a probabilità costante
Spettro di risposta elastica
Amplificazione stratigrafica, topografica
Determinazione delle caratteristiche dei suoli
Microzonazione
Da un punto di vista prettamente sismologico per
descrivere compiutamente le caratteristiche di un
terremoto sono sufficienti le coordinate spazio-temprali e
le dimensioni della sua sorgente e talora il meccanismo di
rottura.
Dal punto di vista ingegneristico la descrizione del
terremoto è espressa dallo scuotimento ossia dalle
vibrazioni prodotte dall’evento al sito considerato. Lo
scuotimento è rappresentato da grandezze quali l’Intensità
o valori derivati da misure strumentali (accelerometria).
Lo scuotimento è correlato con le dimensioni dell’evento,
le sue caratteristiche genetiche, la sua distanza dal sito
oltre che con le condizioni del suolo di fondazione
I descrittori di un terremoto
Grandezze legate al terremoto:
Magnitudo : Scale Microsismiche
Momento sismico: legato alla sorgente
Grandezze legate allo scuotimento
Scale empiriche
 Scale Macrosismiche (scale Mercalli)
Misure strumentali
Massima accelerazione del suolo (PGA)
Massima velocità del suolo (PGV)
Massimo spostamento del suolo (PGD)
Durata significativa del moto del suolo
DEFINIZIONE DI PGA, PGV, PGD,
Registrazioni
Registrazioniininaccelerazione,
accelerazione,velocità
velocitàeespostamento
spostamentoee
determinazione
determinazionedel
del
picco
massimo
di
picco massimo diaccelerazione
accelerazionePGA
PGA
Picco
massimo
di
velocità
PGV
Picco massimo di velocità PGV
Picco
Piccomassimo
massimodidispostamento
spostamentoPGD
PGD
Passaggio dal dominio del tempo a quello della frequenza
2
A  A0 sen t  A0 sen
t
T
2
2
(vt )  A0 sen
A  A0 sen
x


A
ω
A
λ
Lo
Lo spettro
spettro è
è caratterizzato
caratterizzato da
da contenuti
contenuti in
in frequenze
frequenze che
che dipendono
dipendono dal
dal
meccanismo
meccanismo di
di rottura
rottura alla
alla sorgente,
sorgente, dalla
dalla magnitudo,
magnitudo, dal
dal percorso
percorso del
del
raggio
sismico,
dal
tipo
di
suolo
raggio sismico, dal tipo di suolo
Trasformazioni di un
segnale dal dominio
del tempo al dominio
delle frequenze
Il contenuto in frequenza
del moto del suolo viene
descritto in generale da:
Spettri di Fourier
Prof. Claudio Eva- Università degli Studi di Genova
Dipendenti dal terremoto
 Magnitudo e/o momento sismico
 Distanza tra sito e sorgente
 Caratteristiche geologico-strutturali lungo il
percorso sorgente sit
 Meccanismo di sorgente
 Direzione e velocità di rottura (direttività)
 Durata
FATTORI CHE INFLUENZANO LO
SPETTRO
Condizioni locali del sito
• Geometria del bed-rock e focalizzazione
• Smorzamento interno
• Stato deformativo
• Caratteristiche dei suoli
( stratigrafia, natura, granulometria, composizione, condizioni di
drenaggio, parametri geotecnici )
Schematizzazione
Schematizzazionedi
diuno
unospettro
spettrodi
dirisposta
risposta
Schematizzazione
Schematizzazionedi
diuno
unospettro
spettrodi
dirisposta
risposta
Oscillatore semplice ad un grado di libertà e
suoi rapporti con lo spettro del suolo
In alto vengono idealizzati tre edifici con
diversa altezza e quindi con diverso periodo
proprio di oscillazione.(Oscillatore ad un
solo grado di libertà)
Al centro viene riportato un accelerogramma
In basso viene riportato lo spettro
dell’accelerogramma e le frequenze di
interazione
Accelerogrammi
registrati da una
stazione sulla costa
messicana e relativi a
terremoti di diversa
magnitudo
Gli studi per la valutazione della Pericolosità
Sismica Locale
Sito
Sito
Pericolosità indotta
fisico:
sull’ambiente
Effetti sui terreni di fondazione
Effetti sull’ambiente fisico
Percorso
Percorso
Sorgente
Sorgente
Fenomeni di
Amplificazione
Liquefazione e
Densificazione
Attivazione e/o
riattivazione di frane
Deformazioni del
terreno
(Meletti et al., 2008)
La risposta sismica locale
E’
E’ la
la descrizione
descrizione del
del moto
moto sismico
sismico in
in superficie.
superficie. II parametri
parametri
descrittivi
descrittivi del
del moto
moto vengono
vengono ad
ad essere modificati nel
passaggio
passaggio dal
dal substrato
substrato roccioso
roccioso ai
ai terreni
terreni di
di copertura,
copertura, sulla
sulla
base
delle
caratteristiche
dinamiche
di
questi
ultimi
base delle caratteristiche dinamiche di questi ultimi
Figura a lato tratta dal volume:
“Risposta sismica locale”
(G. Lanzo e F Silvestri –
Hevelius Edizioni srl, 1999)
Amplificazione sismica
Effetto
Topografia
Effetto
Litologia
Fattori
Topografia
Topografia
Caratteristiche
Caratteristiche
dell’
’onda incidente
dell
dell’onda
incidente
(frequenza,
(frequenza,
inclinazione,
inclinazione, piano
piano di
di
polarizzazione)
polarizzazione)
Cause
Stratigrafia
Stratigrafia
Fenomeni di riflesione multipla
Figura a lato tratta dal
volume:
“Risposta sismica locale”
(G. Lanzo e F Silvestri –
Hevelius Edizioni srl,
1999)
Interferenza costruttiva delle onde
Focalizzazione geometrica per
irregolarità
irregolarità topografiche e del
substrato
Effetti di risonanza nei terreni
La microzonazione sismica ha lo scopo di
riconoscere ad una scala sufficientemente di
dettaglio le condizioni di sito che possono
modificare sensibilmente le caratteristiche
del moto sismico atteso (moto sismico di
riferimento) o possono produrre effetti
cosismici rilevanti (fratture, frane,
liquefazioni, ...) per le costruzioni e le
infrastrutture
•
•
•
•
In sostanza lo studio di microzonazione restituisce
una mappa del territorio nella quale sono indicate:
le zone in cui il moto sismico viene amplificato (e su
quali frequenze questa amplificazione avviene) a
causa delle caratteristiche morfologiche, strutturali,
stratigrafiche, geofisiche e geotecniche dei terreni.
le zone in cui sono presenti, o suscettibili di
attivazione, dissesti o deformazioni dei suolo dovuti
al sisma o incrementati da esso.
La microzonazione rappresenta uno strumento di
base propedeutico alle attività di progettazione e di
ricostruzione.
Lo studio di microzonazione fornisce una base conoscitiva
della pericolosità sismica locale delle diverse zone e
consente di stabilire gerarchie di pericolosità utili per la
programmazione di interventi di riduzione del rischio
sismico, a varie scale.
Risposta sismica locale
(amplificazione locale)
Modificazione in ampiezza, frequenza e durata dello
scuotimento sismico dovuta alle specifiche condizioni litostratigrafiche e morfologiche di un sito. Si può quantificare
mediante il rapporto tra il moto sismico alla superficie del
sito e quello che si osserverebbe per lo stesso evento
sismico su un ipotetico affioramento di roccia rigida con
morfologia orizzontale. Se questo rapporto è maggiore di 1,
si parla di amplificazione locale.
Risposta Sismica Locale
Fattori
 Input sismico al bedrock
 Litostratigrafia
 Geometria e profondità del bedrock
 Rapporto rigidità acustiche tra gli strati
 Fattori di smorzamento e moduli elastici
 Grado di saturazione
 Topografia
Livelli di approfondimento
• Il livello 1 è un livello propedeutico ai veri
e propri studi di microzonazione, in quanto
consiste in una raccolta di dati preesistenti,
elaborati per suddividere il territorio in
microzone qualitativamente omogenee
• Il livello 2 introduce l’elemento
quantitativo associato alle zone omogenee,
utilizzando allo scopo ulteriori e mirate
indagini, ove necessarie, e definisce la Carta
di microzonazione sismica;
• il livello 3 restituisce una Carta di
microzonazione sismica con
approfondimenti su tematiche o aree
particolari.
Il livello 1 è un livello esclusivamente qualitativo propedeutico ai veri
e propri studi di MS , in quanto consiste in una raccolta di dati
preesistenti, elaborati per suddividere il territorio in microzone
qualitativamente omogenee rispetto alle fenomenologie riscontrabili
(amplificazioni locali, stabilità dei pendii, liquefazione, densificazione,
fagliazione superficiale ecc).
In generale il livello 1 costituisce uno studio propedeutico e obbligatorio
per affrontare i successivi livelli di approfondimento. I risultati di questo
livello possono orientare la scelta del livello successivo di
approfondimento (livello 2 e/o livello 3).
Le informazioni raccolte ed analizzate portano alla determinazione della
Carta delle microzone omogenee in prospettiva sismica.
. Il
livello 2 introduce elementi quantitativi associati alle zone
omogenee, con l’obiettivo di:
• compensare alcune incertezze del livello 1 con approfondimenti
conoscitivi;
• fornire quantificazioni numeriche, con metodi semplificati (abachi,
modellazione 1D, 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).
Per il raggiungimento di tali obiettivi si possono determinare
modificazioni delle geometrie delle zone individuate
precedentemente.
Il livello 2 porta alla costruzione della carta di microzonazione
sismica
Il livello 3 restituisce una Carta di microzonazione sismica con
approfondimenti su tematiche o aree particolari. Il terzo livello di
approfondimento 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 l’estensione della zona in studio renda
conveniente un’analisi globale di dettaglio o, infine, 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.
I risultati di questo livello potranno, limitatamente alle aree studiate
con approfondimenti, modificare la Carta di microzonazione sismica.
Pianificazione territoriale e urbanistica
 Piani provinciali e piani territoriali
 Pianificazione comunale
 Pianificazione per l’emergenza
 Progettazione delle opere
La risposta sismica locale
Il
Il moto
moto sismico
sismico alla
alla superficie
superficie del
del deposito
deposito è
è condizionato
condizionato dalle
dalle caratteristiche
caratteristiche
del
del moto
moto atteso
atteso al
al basamento
basamento roccioso
roccioso
Risposta sismica di un
sottosuolo omogeneo
poggiante su bedrock
Figure tratte dal volume:
“Risposta sismica locale”
(G. Lanzo e F Silvestri – Hevelius Edizioni srl, 1999)
Risposta sismica locale
Le
Le caratteristiche
caratteristiche del
del moto
moto del
del terreno
terreno alla
alla superficie
superficie di
di un
un sito
sito
in
in assenza
assenza di
di manufatti
manufatti (condizioni
(condizioni di
di free-field),
free-field), sono
sono il
il risultato
risultato
di
di un
un insieme
insieme di
di fenomeni
fenomeni (complessi)
(complessi) che
che possono
possono essere
essere
raggruppati
raggruppati in
in tre
tre categorie:
categorie:

Sorgente (meccanismo,
direttività)

Propagazione (attenuazione,
conversione di fasi..)


Risposta sismica locale
L’insieme delle modifiche apportate al moto sismico di ingresso dalle particolari
caratteristiche del sito (proprietà fisico meccaniche dei terreni, geometrie stratigrafiche
morfologia superficiale) costituisce il problema della “risposta sismica locale”
 Dal punto di vista fisico, per risposta sismica locale, si intende
l’insieme delle modifiche (ampiezza, contenuto in frequenza, durata ecc
ecc) che un moto sismico al bedrock ar(t) subisce attraversando gli
strati di terreno fino alla superficie S ove assume il valore di as(t).
 La valutazione quantitativa della
risposta sismica locale può
effettuarsi sulla base del confronto
tra le diverse grandezze
rappresentative del moto sismico
alla superficie del terreno quello
di riferimento (roccia di base o
affiorante)
 Nel dominio del tempo, è possibile confrontare l’accelerazione
massima alla superficie con quella in corrispondenza del riferimento
(fattore di amplificazione)
 La valutazione della risposta sismica locale solo in termini di
variazione di ampiezze massime è poco significativa: il terreno agisce
come un “filtro” incrementando l’ampiezza del moto sismico in
corrispondenza di alcune frequenze e riducendola per altre.
 E’ piu conveniente rappresentare la risposta sismica locale, in
termini di funzione di trasferimento S(f), che corrisponde al rapporto
tra lo spettro di Fourier del moto alla superficie del terreno e quello
dell’analoga componente in corrispondenza del basamento roccioso
a s f 


Sf 
a r f 
 La funzione di amplificazione è
estramamente significativa:
indica quali componenti del moto
sismico sono state amplificate,
quali sono state smorzate e in
quale rapporto.
Solo nel caso di terreno elastico lineare (quasi mai) la funzione di
amplificazione è “univoca” e può considerarsi una proprietà del sito
definita dalle geometrie e dalle proprietà meccaniche del sottosuolo.
Nella maggior parte dei casi, la risposta sismica, a causa della non
linearità del terreno, è funzione delle specifiche caratteristiche
dell’input sismico e non si può definire una funzione di trasferimento
 Nel caso (ideale) di uno strato elastico omogeneo di spessore H e
velocità di propagazione delle onde di taglio Vs su un substrato
deformabile è possibile calcolare la funzione di trasferimento s(f).
Il parametro I indica il
rapporto tra l’impedenza
sismica della roccia di base
e quella del terreno:
I
ρ r Vr
ρs Vs
Per I -> ∞ substrato rigido
 La funzione di amplificazione s(f) (sempre maggiore di uno) è
periodica. Si hanno valori massimi in corrispondenza di:
Tn 
1
4H

f n Vs (2n  1)
 Il “periodo fondamentale” dello strato vale:
T
4H
Vs
La velocità di propagazione delle onde di taglio Vs è funzione del modulo
di taglio (per “piccole” deformazioni) secondo la relazione:
Vs 
G

I risultati ottenuti nel caso molto semplice di strato omogeneo su
substrato deformabile possono essere, qualitativamente, estesi a
situazioni più complesse:
 Coperture sedimentarie caratterizzate da bassa rigidità amplificano le
componenti a bassa frequenza dello scuotimento sismico
 Il fattore di amplificazione è correlabile con il contrasto di impedenza
acustica tra substrato e coperture
 Potenti spessori di coperture sedimentarie amplificano le componenti
a bassa frequenza dello scuotimento sismico
Università degli studi di Genova
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE
MASTER in “Progettazione Antisismica delle Costruzioni” – MUPAC – 2008/09
Effetto della variazione della roccia di base
caso prova di un solo strato
Rapporto tra le accelerazioni di picco
Prof. Claudio Eva- Università degli Studi di Genova
Effetto della variazione della roccia di base
caso prova di un solo strato
Prof. Claudio Eva- Università degli Studi di Genova
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE
MASTER in “Progettazione Antisismica delle Costruzioni” – MUPAC – 2008/09
Effetto della variazione della roccia di base
caso prova di un solo strato
Spettri di risposta
Prof. Claudio Eva- Università degli Studi di Genova
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE
MASTER in “Progettazione Antisismica delle Costruzioni” – MUPAC – 2008/09
Moto alla base
spettri di risposta per uno strato singolo
Effetto della nonlinearità
Prof. Claudio Eva- Università degli Studi di Genova
Metodi ed indagini per la valutazione delle amplificazioni locali
Dati di base
Metodi di indagine raccomandati
Input sismico di riferimento
Analisi di pericolosità di base e/o dati
strumentali
Morfologia del sito
Modello digitale del terreno, cartografia
topografica di dettaglio
Litostratigrafia
Rilevamento geologico, sondaggi
Profondità bedrock sismico e morfologia
sepolta
Sondaggi, sezioni geologiche 2D, indagini
geofisiche
Falda acquifera
Sondaggi, indagini geoelettriche
Caratterizzazione geotecnica e
geomeccanica
Analisi geomeccaniche, prove in sito, prove
di laboratorio, correlazioni con SPT e CPT
Profilo Vs
Down-Hole, Cross-Hole, sismica a rifrazione,
SASW, MASW, array sismici, correlazioni
con proprietà geotecniche
Periodo fondamentale
Misure di microtremori
Caratterizzazione proprietà dinamiche
dei terreni
Colonna risonante, taglio torsionale ciclico,
taglio semplice ciclico con doppio provino
Risposta sismica locale
 “Calcolare”
1)Ricostruzione geologico-geotecnica del
sottosuolo e parametrizzazione dinamica dei
terreni
2) Simulazione numerica
 “Misurare”
Utilizzo dei dati sperimentali per verificare i metodi e/o modelli delle simulazioni
numeriche
UTILIZZO DELLA MS COME STRUMENTO
DISCRIMINANTE PER L’UTILIZZO
DELL’APPROCCIO SEMPLIFICATO (CAP 3.2.2
NTC08) O DI SPECIFICHE ANALISI (CAP 7.11.3
NTC08-RSL) DELLE NTC
Le procedure proposte dal Livello 3 delle ICMS08 sono del tutto simili
a quelle previste dalle NTC08-RSL, per lo meno nel punto di indagine.
Le NTC08-RSL si attuano in fase di progettazione, quando è
conosciuto il punto preciso di indagine e il tipo di opera mentre la
MS si utilizza maggiormente per la pianificazione di un’area, pur
rappresentando la stessa cosa.
Le NTC08 prevedono in alternativa alle analisi specifiche di RSL l’utilizzo
in determinate condizioni di un approccio semplificato.
La problematica generale è come la MS può fornire indicazioni sulla
scelta tra i due approcci.
Qualora la Regione o l’Ente locale si sia dotata di una MS di
Livello 2 o di Livello 3, così come definiti negli ICMS, si pone il
quesito su Quale livello di approfondimento di MS (2 o 3)
permette di discriminare tra l’utilizzo dell’approccio
semplificato di NTC08 e delle specifiche analisi di RSL?
•Se la scelta procedurale, è quella di applicare, in fase di
pianificazione del territorio, il Livello 2 (senza arrivare quindi al
Livello 3),
Il Livello 2 non può fornire le indicazioni definitive e l’utilizzo del
Livello 2 si deve limitare a:
 stabilire una graduatoria di idoneità utilizzabile ai fini prettamente
urbanistici;
 fornire ulteriori indicazioni sulle aree nelle quali è necessario
effettuare il Livello 3.
La graduatoria di pericolosità potrà utilizzare un qualsiasi parametro di
amplificazione litostratigrafica e topografica.( FA e FV , così come definiti
negli ICMS08, o FH)i.
Nel caso di una pianificazione di un’area, sarà buona norma assicurarsi
che i risultati delle modellazioni operate nel Livello 2 siano
rappresentativi di tutte le situazioni sismiche omogenee presenti in
quell’area, al fine di poterla suddividere efficacemente in microzone e
caratterizzare sismicamente nel miglior modo possibile, anche tenendo
conto degli strumenti, studi ed indagini pregresse e/o nuovi (indagini ad
hoc). In questo senso, anche l’acquisizione dei dati del Livello 2 (indagini
geofisiche) e la scelta degli input sismici per la costruzione degli abachi
dovranno essere fortemente condizionati dall’assetto geologico-tecnico e
sismotettonico locale (abachi regionalizzati o, ancora meglio, sub
regionalizzati).
Per le indicazioni su quali aree è necessario effettuare studi di Livello
3, la verifica sarà effettuata paragonando il valore del Fattore di
amplificazione ricavato dal Livello 2 (abachi regionalizzati) con il
parametro Ss previsto dalle NTC.
Se il valore di amplificazione rappresentativo di una specifica area,
cosi come calcolato al Livello 2, supera per più del 10% il
corrispondente valore di Ss, l’area in oggetto dovrà essere analizzata
con studi di Livello 3.
Qualora la scelta procedurale degli Enti competenti fosse quella di
applicare, in fase di pianificazione, il Livello 3 degli ICMS, il potere
discriminante tra l’applicabilità dell’approccio semplificato NTC08 o
delle specifiche analisi di NTC08-RSL è assicurato, anche perché, in
tal caso, il paragone viene fatto direttamente sull’andamento degli
spettri di risposta elastici.
.
In particolare si confronteranno gli spettri di risposta elastici in
accelerazione al 5% dello smorzamento critico calcolati in free field e
riferiti ad un determinato livello di pericolosità sismica (ovvero ad un
determinato tempo di ritorno, che normalmente per studi di MS è riferito
a 475 anni) con il corrispondente spettro di risposta elastico assegnato
dall’approccio semplificato di NTC08.
Lo spettro di risposta elastico calcolato dovrà essere standardizzato
riportandolo nella forma usata da NTC08, ovvero delimitando i tratti ad
accelerazione, velocità e spostamento costante.
Il confronto sarà eseguito in termini di valori spettrali e si riterrà
accettabile lo spettro proposto da NTC08 qualora lo spettro calcolato
presenti differenze inferiori al 10% in corrispondenza del periodo proprio
della struttura di progetto.
Qualora la Regione o l’Ente locale si sia dotata di una MS di Livello
3, così come definiti negli ICMS,, quali informazioni si possono
trasferire a chi deve progettare?
In questo caso, l’informazione da trasferire è la possibilità di utilizzo
diretto della categoria di sottosuolo e dei vari parametri determinati
(applicazione dell’approccio semplificato NTC08) oppure
l’obbligatorietà dell’applicazione delle specifiche analisi di RSL.
Per il Livello 3, l’estrapolabilità risulta essere più limitata in
conseguenza del dettaglio utilizzato, ma l’affidabilità è più elevata e
quindi, nel caso di possibilità di utilizzo dei metodi semplificati, si
assegnerà direttamente la categoria di sottosuolo.
Rimane comunque stabilito che le RSL sono indispensabili in tutti i casi
nei quali il sito non è classificabile nelle 5 categorie di sottosuolo.
Un elenco delle situazioni geologiche e geomorfologiche complesse,
per le quali i risultati del Livello 2 daranno indicazioni in base ai dati
raccolti e i risultati del Livello 3 saranno esaustivi per discriminare
l’utilizzo o meno dell’approccio semplificato, a seguito del confronto tra
gli spettri calcolati e quelli proposti dalla Norma, viene sinteticamente
proposto sotto:
 substrato rigido sepolto a geometria articolata (presenza di
paleoalvei, substrato rigido disarticolato da faglie, andamento del
substrato a Horst e Graben);
 zona di raccordo tra rilievo e pianura (zona di unghia con substrato
rigido sepolto in approfondimento sotto la pianura, in maniera continua o
discontinua);
 successione litostratigrafica che preveda terreni rigidi su terreni
soffici (profilo di Vs con inversioni di velocità);
 geometria del substrato rigido che crea una valle stretta colmata di
sedimenti soffici (la valle stretta è definita dal coefficiente di forma,
C=h/l, dove h è lo spessore della coltre alluvionale, l la sua
semiampiezza, se il valore di C è superiore a 0.25, la valle può
essere definita “stretta” oppure può essere definita stretta se è
verificata la formula h/l ≥ 0.65/√Cv – 1, dove Cv è il rapporto tra la
velocità Vs del substrato rigido e quella media dei sedimenti soffici);
substrato rigido profondo alcune decine di metri;
 presenza di marcati contrasti di impedenza sismica;
 eventuale presenza di aree soggette a instabilità (frane,
liquefazioni, cavità sepolte, ecc. nelle quali sono possibili aggravi
delle amplificazioni).
Si noti che queste stesse situazioni dovrebbero essere state già
valutate preliminarmente nel Livello 1.
L’approccio semplificato previsto nelle NTC08 appare purtroppo carente
perché non prevede tutte le situazioni geologico-tecniche e quelle
previste sono individuate con criteri insufficienti (utilizzo del solo
parametro VS,30).
• nelle aree identificate con il Livello 3 come “aree ad approccio
semplificato di NTC08”, questa procedura non potrà essere ritenuta
valida se nell’area sono presenti Edifici Strategici e/o Rilevanti ai
fini di Protezione Civile (Municipi, Ospedali, Scuole, Caserme, etc.)
per i quali sarà sempre obbligatoria la RSL;
Raccomandazioni generali
Da quanto sopra esposto si suggeriscono le seguenti
raccomandazioni:
• predisporre proposte tecnico-scientifiche di miglioramento
della norma per l’approccio semplificato, in modo da rendere
possibile, con maggiore consapevolezza e coerenza l’utilizzo di
questo tipo di approccio;
• definizione della procedura di applicazione di quanto sopra
illustrato rientri nelle competenze delle singole Amministrazioni
Regionali all’atto normativo di recepimento degli ICMS.
PIANIFICAZIONE
PROGETTAZIONE
MS1
MS 2
Abachi
Regionalizzati
Abachi ICMS
Graduatorie ai fini
urbanistici
Obbligo RSL
Confronto
Ss
MS 3
Spettri elastici
Confronto
spettri
elastici
Procedura
semplificata
NTC con
utilizzo di
categoria di
suolo
determinata