LE AZIONI SISMICHE E L’EFFETTO SITO

INGEGNERIA

CIVILE E AMBIENTALE a cura di Ing. L. Tramonti

Ing. M. E. D’Effremo

commissione

Geotecnica

visto da Ing. A. Bozzetti

L'articolo è tratto dalla Rivista IoRoma N°4/2016

Il monte Vettore dopo il sisma del settembre 2016.

LE AZIONI SISMICHE E L’EFFETTO SITO Le condizioni che possono modificare le caratteristiche del sottosuolo ed amplificare i movimenti sismici.

8 ordine degli ingegneri della provinCia di roma

INGEGNERIA

CIVILE E AMBIENTALE a cura di Ing. L. Tramonti

Ing. M. E. D’Effremo

commissione

Geotecnica

visto da Ing. A. Bozzetti

Il monte Vettore dopo il sisma del settembre 2016.

LE AZIONI SISMICHE E L’EFFETTO SITO Le condizioni che possono modificare le caratteristiche del sottosuolo ed amplificare i movimenti sismici.

8 ordine degli ingegneri della provinCia di roma

CIVILE E AMBIENTALE

NEL PROGETTARE UN MANUFATTO IN ZONA SISMICA È DI FONDAMENTALE IMPORTANZA NON SOTTOVALUTARE COME L’AZIONE SISMICA SI POSSA MODIFICARE IN FUNZIONE DEL SITO SU CUI SORGE L’OPERA.

INTRODUZIONE i fattori che possono contribuire a modificare l’azione sismica in funzione del sito in esame non sono solamente connessi a caratteristiche di scala più vasta quali possono essere la topografia, le irregolarità geometriche superificiali, ma anche a caratteristiche che possono essere circoscritte al volume significativo del manufatto (quella parte del sottosuolo che risente delle modifiche di stato tensionale indotte dalla realizzazione dell’opera), quali eterogeneità dei terreni all’interno del volume significativo e la non linearità del comportamento

del terreno. dall’insieme di questi fattori dipende l’accelerazione di picco in superficie. l’amplificazione dell’azione sismica che può verificarsi in funzione del sito in esame, non è però una proprietà univoca del sito, ma è connessa anche alle caratteristiche del moto sismico di riferimento. può succedere, infatti, che ci sia una coincidenza tra le frequenze dominanti del segnale sismico e quelle naturali del sottosuolo generando così una risonanza. tale risonanza potrebbe essere doppia se accadesse la corrispondenza tra le frequenze fondamentali del segnale sismico in superficie e quelle dei manufatti (cfr. Lanzo G. & Silvestri F.) Caratteristiche del moto sismico, caratteristiche dei terreni, caratteristiche del territorio, tipologia strutturale, sono dunque fattori tra loro connessi da cui dipende l’effetto del sisma. un esempio che mostra l’importanza di un’analisi locale è evidente analizzando i picchi di accelerazione registrati durante il sisma del 26 settembre 1997 in umbria e marche di magnitudo 6.1, (vedere Figura 1 nella pagina seguente). si osserva che al variare della distanza epicentrale, accelerazioni di picco PGA (Peak Ground Acceleration), variano in modo irregolare, questo si può spiegare con il fatto che, a causa della forte dipendenza da dettagli di piccola scala nella propagazione ondosa, si possono presentare quindi valori elevati di pga. infatti, la magnitudo è una grandezza che misura la forza di un terremoto, la PGA invece è sempre riferita al suolo e non al bedrock perché l’effetto sito sono preponderanti su di essa.

RISPOSTA SISMICA LOCALE la caratterizzazione sismica di un sito è una procedura piramidale che dalla pericolosità sismica

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STAZIONE

Figura1. Picchi di accelerazione delle componenti del moto registrati durante la scossa delle 11.40 del 26 Settembre 1997 (Decanini et al. 1997).

Colfiorito Nocera Um bra Umbra Matelica Catelnuovo (Assisi) Monte Fiegni Bevagna Gubbio (Piana) Gubbio Cascia Forca Canapine Pietralunga Cagli Leonessa Rieti Senigallia Peglio Pennabilli

DIST. FAGLIA [km]

PGA – NS [g]

PGA VT [g]

PGA EW [g]

2.4 4.7 20.8 23.1 23.7 25.5 30.3 33.4 34.2 38.0 47.3 50.1 50.5 65.0 71.1 73.0 91.1

0.278 0.556 0.111 0.222 0.028 0.083 0.100 0.056 0.028 0.056 0.039 0.020 0.028 0.018 0.039 0.067 0.020

0.167 0.417 0.056 0.039 0.017 0.039 0.070 0.033 0.014 0.017 0.028 0.020 0.028 0.008 0.017 0.028 0.020

0.306 0.500 0.111 0.167 0.028 0.067 0.100 0.083 0.014 0.056 0.056 0.020 0.028 0.018 0.028 0.067 0.020

nazionale passa per gli studi di microzonazione locale di livello 1 e 2 e termina con la risposta sismica locale del sito di progetto. da questo studio devono emergere tutte le problematiche del sito quando sottoposto ad azioni dinamiche, da confrontare successivamente con l’idoneità alla costruzione (stabilità, liquefazione, ecc..). per tale ragione nelle ntC 2008, ai fini della definizione dell’azione sismica di progetto, lo studio di risposta sismica locale è definito come un elemento necessario (cfr. §3.2.2 - Categorie di sottosuolo e condizioni topografiche e §7.11.3 - Risposta sismica e stabilità del sito) da eseguirsi con specifiche analisi anche se, in alternativa, le stesse ntC, suggeriscono un approccio semplificato per l’individuazione delle categorie di sottosuolo di riferimento (cfr. tabelle 3.2.ii e 3.2.iii delle ntC.) la risposta sismica locale però non deve essere solo uno strumento per ottenere tale categoria, poichè in una reale progettazione ai fini della sicurezza sismica è sempre preferibile il ricorso ad una risposta sismica locale per la valutazione delle frequenze di risonanza e delle amplificazioni, in quanto gli effetti sito possono essere sono preponderanti. l’affinamento della caratterizzazione sismica si ottiene superando il concetto pseudostatico e studiando il terreno per mezzo di prove dinamiche di laboratorio. a causa dell’alto costo di queste e della scarsa conoscenza che c’è nella loro interpretazione, sono per lo più escluse dalle fasi di caratterizzazione dei terreni, in alcune casi sono utilizzate per opere di estrema importanza come le dighe o centrali elettriche di grosse dimensione,

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quasi mai sono usate ad esempio per le scuole. sembra quindi che l’importanza dell’opera sia proporzionale al costo, ma ci potrebbero essere scenari alternativi in cui le prove dinamiche sono di vitale importanza. ne sono un esempio tutti quei pendii che insistono sui centri abitati o su strutture strategiche la cui attivazione risulta un pericolo per vite e strutture. l’importanza di queste prove risiede nel fatto che possono identificare il deterioramento delle caratteristiche di resistenza e deformazione dei terreni sottoposti a sforzi ciclici sismici. per una buona caratterizzazione sismica si dovrebbe inoltre far riferimento ad accelerogrammi ottenuti direttamente in sito e non sito equivalente, in quanto gli effetti locali inducono un grado di incertezza difficilmente quantificabile. oltre a tutto è sempre bene individuare i meccanismi focali delle faglie più vicine al sito in esame per ottenere sismogrammi veritieri dell’area (che può avere estensione anche di km2). l’analisi di risposta sismica locale può essere affrontata con l’utilizzo di codici di calcolo che permettono di tenere in conto il comportamento non lineare del terreno, attraverso una modellazione numerica monodimensionale o bidimensionale.

COMPORTAMENTO DEI TERRENI le prove più comunemente utilizzate per analizzare il comportamento dinamico del terreno sono: - prove di laboratorio: colonna risonante, taglio torsionale ciclico, triassiale ciclica, taglio semplice ciclico;

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Tabella 3.2.II. Categorie di sottosuolo (NTC2008).

Tabella 3.2.III. Categorie aggiuntive di sottosuolo (NTC2008).

- prove in sito: Down-Hole (DH), Cross-Hole (CH), cono sismico, sasW (Spectral Analysis of Surface Waves). gli effetti sismici hanno un impatto diretto sul comportamento dell’elemento di volume di terreno. per tale motivo le indagini sismiche non possono essere separate dalle indagini geotecniche: sia le prove dinamiche sia tutte le altre prove geotecniche in sito e in laboratorio sono essenziali per la carat-

LA CARATTERIZZAZIONE SISMICA DI UN SITO È UNA PROCEDURA PIRAMIDALE CHE DALLA PERICOLOSITÀ SISMICA NAZIONALE PASSA PER GLI STUDI DI MICROZONAZIONE LOCALE DI LIVELLO 1 E 2 E TERMINA CON LA RISPOSTA SISMICA LOCALE DEL SITO DI PROGETTO.

terizzazione del sottosuolo. accade, infatti, che l’elemento di volume in presenza di carichi dinamici e ciclici modifica la sua struttura interna dello scheletro solido determinando, soprattutto in condizioni sature, il decadimento irreversibile delle caratteristiche di resistenza e rigidezza che modificano a loro volta il moto sismico. ma il legame sforzi-deformazioni è legato anche alla natura coesiva o incoerente del terreno, alla storia tensionale precedente il sisma, allo stato di consistenza o addensamento e alla velocità di applicazione dei carichi ciclici. Queste caratteristiche determinano l’ampiezza della deformazione di taglio indotta dai carichi e che determina, con il modulo di deformazione lineare e volumetrico, le tre comportamenti fondamentali dei terreni: elastico lineare, isteretico stabile, isteretico instabile. grazie alle indagini geotecniche è possibile individuare alcune importanti condizioni che influiscono non poco sui possibili effetti di amplificazione sismica: - Comportamento non lineare del terreno a causa del comportamento non lineare del terreno, il fattore di amplificazione sismica

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È PERTANTO FONDAMENTALE, PER PERMETTERE UNA CORRETTA PROGETTAZIONE DI MANUFATTI IN ZONA SISMICA E UNA CORRETTA ANALISI DELLA VULNERABILITÀ DEI TERRITORI, CONSIDERARE L’EFFETTO SITO. CONCLUSIONI

aumenta per bassi livelli di accelerazione su roccia e si riduce per alti livelli di accelerazione su roccia, in altre parole per accelerazioni di picco più basse tutti i terreni amplificano il moto sismico (cfr. Lanzo G. & Silvestri F.); - Eterogeneità l’eterogeneità del terreno ha un altro effetto sul fattore di amplificazione, trascurare, infatti, l’incremento di rigidezza con la profondità può sottostimare in maniera evidente gli effetti dell’amplificazione del moto sismico.

BIBLIOGRAFIA - Crespellani T.:Effetti sito e fenomeni di instabilità indotti dai terremoti nei depositi e nei pendii, 1998.

- Decanini L., Sabetta F.: Analisi dei dati strumentali relativi al terremoto Umbro-Marchigiano del 26 settembre 1997, Ingegneria sismica, N. 3, 1997.

- Lanzo G., Silvestri F.: Risposta sismica locale, Hevelius, 1999

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solo alcuni aspetti fondamentali sono stati qui brevemente illustrati con l’obiettivo di ribadire l’importanza di valutare i complessi processi dinamici d’interazione che possono innescarsi in un dato sito fra onde sismiche, terreni e strutture, per poter tener adeguatamente conto degli effetti di sito. trascurare l’incremento di rigidezza con la profondità, il comportamento non lineare del terreno, la disomogeneità del terreno, le irregolarità geometriche superficiali e sepolte, può condurre a sottostimare gli effetti dell’amplificazione del moto sismico. È pertanto fondamentale, per permettere una corretta progettazione di manufatti in zona sismica e una corretta analisi della vulnerabilità dei territori, considerare l’effetto sito. per fare questo è fondamentale la collaborazione tra le varie figure professionali che intervengono nel processo di definizione dell’azione sismica: dal sismologo al geofisico nell’analisi dei meccanismi di sorgente e di propagazione delle onde, al geologo nell’analisi della geologia del luogo, all’ingegnere geotecnico e strutturista nell’analisi della risposta sismica locale e del comportamento dei manufatti. in ultimo, non solo, infatti, i manufatti risentono del sisma ma, lo stesso territorio risente degli effetti indotti dal sisma. ne sono un esempio, le numerose frane che spesso si attivano o riattivano a seguito di un evento sismico e che a catena producono numerose conseguenze sul territorio, sulle strutture e sulla popolazione. nessuno di questi aspetti deve essere mai trascurato sia prima dell’evento sismico, sia durante sia dopo. in particolare infatti per i versanti, l’effetto indotto dal sisma è ancora più complesso e merita un’accurata analisi e monitoraggio, poiché l’instabilità può verificarsi sia immediatamente a causa dell’incremento delle forze di taglio che può determinare il superamento della resistenza allo scorrimento su una data superficie interna al pendio e/o sia in una fase post sismica, a causa del decadimento della resistenza del terreno che potrebbe compromettere la stabilità del pendio. ■