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SEMINARIO T erremoto: dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischio Bologna, 12 novembre 2018 Johann Facciorusso La liquefazione dei terreni [email protected]

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SEMINARIOTerremoto dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischio

Bologna 12 novembre 2018

Johann Facciorusso

La liquefazionedei terreni

johannfdiceaunifiit

METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni - Claudia MadiaiFirenze 24 Ottobre 2017

SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni ndash Claudia MadiaiFirenze 24 novembre 2017

PARTE I - Sommario

1 Introduzione

2 Comportamento dei terreni in condizioni di carico dinamico e ciclico

3 La rottura dei terreni incoerenti sotto carico dinamico e ciclico

4 La liquefazione manifestazioni cause scatenanti e cause predisponenti

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COMPORTAMENTO DEI TERRENI IN CONDIZIONI DI CARICO

DINAMICO E CICLICO

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Le sollecitazioni indotte nel terreno dalle onde sismiche sono

ldquoCICLICHErdquo costituite da una serie (lsquoirregolarersquo) di fasi di carico scarico ricarico

ldquoDINAMICHErdquo caratterizzate da velocitagrave di applicazione cosigrave elevate da non poter trascurare le forze di inerzia e gli effetti indotti sul terreno

ciclica

t(s) t(s)

dinamica e ciclica

Rispetto al caso statico le condizioni dinamiche e cicliche producono nel terrenovariazione delle condizioni di drenaggio della rigidezza e della resistenzaeffetti viscosi

INTRODUZIONE

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Numero di cicli e tempi di applicazione (tc) tipici di alcune condizioni di carico

(Ishihara 1996)

Problemi dinamicitclt2-3 s (per ciclo)fgt03-05Hz

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In condizioni sismiche

la velocitagrave delle sollecitazioni indotte nel terreno egrave sufficientemente elevatada poter assumere condizioni di drenaggio impedito (CONDIZIONI NONDRENATE) con possibile accumulo di pressioni interstiziali nei terreni saturi

le deformazioni predominanti (e piugrave critiche per la stabilitagrave dei terreni e delleopere) sono le deformazioni di taglio γ (indotte dalle onde di taglio S)

γ = deformazione di taglio

G = modulo di taglio(o di rigidezza al taglio)

τ = sforzo di taglio

H

σv+τ

+δ σh

σv

-δ-τ

σh

γ = δH = τG

per la risoluzione dei problemi applicativi egrave sufficiente tenere conto dellegame sforzi tangenziali τ-deformazioni tangenziali γ

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prima

σrsquov0

Κ0 σrsquov0

σrsquov

Κ σrsquov

τ σrsquov

Κ σrsquov

τ

τσrsquov

σrsquohτ

σrsquov

σrsquoh

durante

Sollecitazioni su un elemento di terreno in condizioni free-field

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γ

t

γ

τγc

γc

τc

minusγc

minusγc

minusτc

EE

F

C

D

C

D

A

BLFA

B

Comportamento dei terreni in condizioni dinamiche e cicliche

τ

γ

τ

γ8

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γ

τ

γc

τc

minusγc

minusτc

curva dorsale(backbone curve)

τpp

γpp

G1

Si assume come MODULO DI TAGLIO

CICLICOG = τppγpp

congMODULO DI TAGLIO

SECANTE(G = τCγC)

MODULO DI TAGLIO TANGENTE(G = dτdγ)

dτdγ

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γ

τ

γc

τc

minusγc

minusτc

curva dorsale(backbone curve)

RAPPORTO DI SMORZAMENTO

∆W=Energia dissipata durante il cicloW=Energia elastica immagazzinata

durante la fase di primo carico

119915119915 =120783120783120786120786120645120645

∆119934119934119934119934

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Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento

soglia elastica

soglia volumetrica

deformazioneγ []

Campo di deformazioni piccole medie elevate

10-4 10-3 10-2 10-1 1

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Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)

τc2

τc=G0sdotγc

γc1

τc1

γc2 γ

τ

Modulo di taglio G = G0 = Gmax

Rapporto di smorzamentoD = D0

talvolta si assume D0=0

D0

A PICCOLE DEFORMAZIONI

(dominio elastico lineare)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

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1G1

D2

γc2γc1

G21

D1

γ

τ

τc2τc1

G2 lt G1

D2 gtD1

Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)

Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ)

A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ Ν)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)

A DEFORMAZIONIELEVATE

(dominio isteretico instabile)

γc

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

N

N

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi

Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli

Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

∆uN

Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N

Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza

(dyn)stat (N=1)

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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale

SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098

SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0

γ (log)

GG01

098

05

0 γl1 γl2

1 2

γ (log)

GG0

1

06005

0 γv1 γv2

1 2085

∆uσrsquo0

0001

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deformazioneγ []

Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile

Parametri

G0 D0

G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)

τcyc =τcyc (γN)

PROBLEMI TIPICI

Fondazioni di macchine vibranti

vibrazioni da traffico misure geofisiche

Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)

Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)

MODELLI Elastico o viscoelastico lineare

Viscoelastico lineare equivalente o non

lineareElasto-plastico

γl γv

10-4 10-3 10-2 10-1 1 10

Campi di deformazione ndash domini ndash modelli

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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3

A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale

5

4

1

32

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

∆H

H

εa= ∆HH

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e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

5

4

1

32

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

e

σrsquo3

5

e=ecrit

3

Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)

CSL

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante

e

εa

ecrit5

4

1

32

contraente

dilatante

prima contraentepoi dilatante

e

σrsquo3

e=ecrit

contraente

dilatante

CSL

e gt ecrit

e lt ecrit

COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

σrsquo3=cost

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

79

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

86

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PARTE I - Sommario

1 Introduzione

2 Comportamento dei terreni in condizioni di carico dinamico e ciclico

3 La rottura dei terreni incoerenti sotto carico dinamico e ciclico

4 La liquefazione manifestazioni cause scatenanti e cause predisponenti

2

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COMPORTAMENTO DEI TERRENI IN CONDIZIONI DI CARICO

DINAMICO E CICLICO

3

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Le sollecitazioni indotte nel terreno dalle onde sismiche sono

ldquoCICLICHErdquo costituite da una serie (lsquoirregolarersquo) di fasi di carico scarico ricarico

ldquoDINAMICHErdquo caratterizzate da velocitagrave di applicazione cosigrave elevate da non poter trascurare le forze di inerzia e gli effetti indotti sul terreno

ciclica

t(s) t(s)

dinamica e ciclica

Rispetto al caso statico le condizioni dinamiche e cicliche producono nel terrenovariazione delle condizioni di drenaggio della rigidezza e della resistenzaeffetti viscosi

INTRODUZIONE

4

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Numero di cicli e tempi di applicazione (tc) tipici di alcune condizioni di carico

(Ishihara 1996)

Problemi dinamicitclt2-3 s (per ciclo)fgt03-05Hz

5

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In condizioni sismiche

la velocitagrave delle sollecitazioni indotte nel terreno egrave sufficientemente elevatada poter assumere condizioni di drenaggio impedito (CONDIZIONI NONDRENATE) con possibile accumulo di pressioni interstiziali nei terreni saturi

le deformazioni predominanti (e piugrave critiche per la stabilitagrave dei terreni e delleopere) sono le deformazioni di taglio γ (indotte dalle onde di taglio S)

γ = deformazione di taglio

G = modulo di taglio(o di rigidezza al taglio)

τ = sforzo di taglio

H

σv+τ

+δ σh

σv

-δ-τ

σh

γ = δH = τG

per la risoluzione dei problemi applicativi egrave sufficiente tenere conto dellegame sforzi tangenziali τ-deformazioni tangenziali γ

6

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prima

σrsquov0

Κ0 σrsquov0

σrsquov

Κ σrsquov

τ σrsquov

Κ σrsquov

τ

τσrsquov

σrsquohτ

σrsquov

σrsquoh

durante

Sollecitazioni su un elemento di terreno in condizioni free-field

7

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γ

t

γ

τγc

γc

τc

minusγc

minusγc

minusτc

EE

F

C

D

C

D

A

BLFA

B

Comportamento dei terreni in condizioni dinamiche e cicliche

τ

γ

τ

γ8

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9

γ

τ

γc

τc

minusγc

minusτc

curva dorsale(backbone curve)

τpp

γpp

G1

Si assume come MODULO DI TAGLIO

CICLICOG = τppγpp

congMODULO DI TAGLIO

SECANTE(G = τCγC)

MODULO DI TAGLIO TANGENTE(G = dτdγ)

dτdγ

9

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10

γ

τ

γc

τc

minusγc

minusτc

curva dorsale(backbone curve)

RAPPORTO DI SMORZAMENTO

∆W=Energia dissipata durante il cicloW=Energia elastica immagazzinata

durante la fase di primo carico

119915119915 =120783120783120786120786120645120645

∆119934119934119934119934

10

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11

Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento

soglia elastica

soglia volumetrica

deformazioneγ []

Campo di deformazioni piccole medie elevate

10-4 10-3 10-2 10-1 1

11

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Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)

τc2

τc=G0sdotγc

γc1

τc1

γc2 γ

τ

Modulo di taglio G = G0 = Gmax

Rapporto di smorzamentoD = D0

talvolta si assume D0=0

D0

A PICCOLE DEFORMAZIONI

(dominio elastico lineare)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

12

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1G1

D2

γc2γc1

G21

D1

γ

τ

τc2τc1

G2 lt G1

D2 gtD1

Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)

Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ)

A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

13

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ Ν)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)

A DEFORMAZIONIELEVATE

(dominio isteretico instabile)

γc

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

N

N

14

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi

Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli

Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

∆uN

Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N

Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza

(dyn)stat (N=1)

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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale

SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098

SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0

γ (log)

GG01

098

05

0 γl1 γl2

1 2

γ (log)

GG0

1

06005

0 γv1 γv2

1 2085

∆uσrsquo0

0001

16

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deformazioneγ []

Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile

Parametri

G0 D0

G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)

τcyc =τcyc (γN)

PROBLEMI TIPICI

Fondazioni di macchine vibranti

vibrazioni da traffico misure geofisiche

Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)

Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)

MODELLI Elastico o viscoelastico lineare

Viscoelastico lineare equivalente o non

lineareElasto-plastico

γl γv

10-4 10-3 10-2 10-1 1 10

Campi di deformazione ndash domini ndash modelli

17

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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO

18

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3

A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale

5

4

1

32

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

∆H

H

εa= ∆HH

19

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e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

5

4

1

32

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

e

σrsquo3

5

e=ecrit

3

Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)

CSL

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

20

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante

e

εa

ecrit5

4

1

32

contraente

dilatante

prima contraentepoi dilatante

e

σrsquo3

e=ecrit

contraente

dilatante

CSL

e gt ecrit

e lt ecrit

COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

σrsquo3=cost

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

23

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

24

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

55

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

56

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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COMPORTAMENTO DEI TERRENI IN CONDIZIONI DI CARICO

DINAMICO E CICLICO

3

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Le sollecitazioni indotte nel terreno dalle onde sismiche sono

ldquoCICLICHErdquo costituite da una serie (lsquoirregolarersquo) di fasi di carico scarico ricarico

ldquoDINAMICHErdquo caratterizzate da velocitagrave di applicazione cosigrave elevate da non poter trascurare le forze di inerzia e gli effetti indotti sul terreno

ciclica

t(s) t(s)

dinamica e ciclica

Rispetto al caso statico le condizioni dinamiche e cicliche producono nel terrenovariazione delle condizioni di drenaggio della rigidezza e della resistenzaeffetti viscosi

INTRODUZIONE

4

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Numero di cicli e tempi di applicazione (tc) tipici di alcune condizioni di carico

(Ishihara 1996)

Problemi dinamicitclt2-3 s (per ciclo)fgt03-05Hz

5

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In condizioni sismiche

la velocitagrave delle sollecitazioni indotte nel terreno egrave sufficientemente elevatada poter assumere condizioni di drenaggio impedito (CONDIZIONI NONDRENATE) con possibile accumulo di pressioni interstiziali nei terreni saturi

le deformazioni predominanti (e piugrave critiche per la stabilitagrave dei terreni e delleopere) sono le deformazioni di taglio γ (indotte dalle onde di taglio S)

γ = deformazione di taglio

G = modulo di taglio(o di rigidezza al taglio)

τ = sforzo di taglio

H

σv+τ

+δ σh

σv

-δ-τ

σh

γ = δH = τG

per la risoluzione dei problemi applicativi egrave sufficiente tenere conto dellegame sforzi tangenziali τ-deformazioni tangenziali γ

6

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prima

σrsquov0

Κ0 σrsquov0

σrsquov

Κ σrsquov

τ σrsquov

Κ σrsquov

τ

τσrsquov

σrsquohτ

σrsquov

σrsquoh

durante

Sollecitazioni su un elemento di terreno in condizioni free-field

7

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γ

t

γ

τγc

γc

τc

minusγc

minusγc

minusτc

EE

F

C

D

C

D

A

BLFA

B

Comportamento dei terreni in condizioni dinamiche e cicliche

τ

γ

τ

γ8

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9

γ

τ

γc

τc

minusγc

minusτc

curva dorsale(backbone curve)

τpp

γpp

G1

Si assume come MODULO DI TAGLIO

CICLICOG = τppγpp

congMODULO DI TAGLIO

SECANTE(G = τCγC)

MODULO DI TAGLIO TANGENTE(G = dτdγ)

dτdγ

9

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10

γ

τ

γc

τc

minusγc

minusτc

curva dorsale(backbone curve)

RAPPORTO DI SMORZAMENTO

∆W=Energia dissipata durante il cicloW=Energia elastica immagazzinata

durante la fase di primo carico

119915119915 =120783120783120786120786120645120645

∆119934119934119934119934

10

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11

Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento

soglia elastica

soglia volumetrica

deformazioneγ []

Campo di deformazioni piccole medie elevate

10-4 10-3 10-2 10-1 1

11

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Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)

τc2

τc=G0sdotγc

γc1

τc1

γc2 γ

τ

Modulo di taglio G = G0 = Gmax

Rapporto di smorzamentoD = D0

talvolta si assume D0=0

D0

A PICCOLE DEFORMAZIONI

(dominio elastico lineare)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

12

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1G1

D2

γc2γc1

G21

D1

γ

τ

τc2τc1

G2 lt G1

D2 gtD1

Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)

Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ)

A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

13

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ Ν)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)

A DEFORMAZIONIELEVATE

(dominio isteretico instabile)

γc

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

N

N

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi

Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli

Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

∆uN

Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N

Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza

(dyn)stat (N=1)

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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale

SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098

SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0

γ (log)

GG01

098

05

0 γl1 γl2

1 2

γ (log)

GG0

1

06005

0 γv1 γv2

1 2085

∆uσrsquo0

0001

16

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deformazioneγ []

Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile

Parametri

G0 D0

G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)

τcyc =τcyc (γN)

PROBLEMI TIPICI

Fondazioni di macchine vibranti

vibrazioni da traffico misure geofisiche

Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)

Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)

MODELLI Elastico o viscoelastico lineare

Viscoelastico lineare equivalente o non

lineareElasto-plastico

γl γv

10-4 10-3 10-2 10-1 1 10

Campi di deformazione ndash domini ndash modelli

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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO

18

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3

A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale

5

4

1

32

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

∆H

H

εa= ∆HH

19

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e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

5

4

1

32

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

e

σrsquo3

5

e=ecrit

3

Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)

CSL

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

20

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante

e

εa

ecrit5

4

1

32

contraente

dilatante

prima contraentepoi dilatante

e

σrsquo3

e=ecrit

contraente

dilatante

CSL

e gt ecrit

e lt ecrit

COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

σrsquo3=cost

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

23

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

24

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

40

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

45

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

48

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

49

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

50

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

51

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

52

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

53

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

55

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

56

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

58

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

60

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

79

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

86

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Le sollecitazioni indotte nel terreno dalle onde sismiche sono

ldquoCICLICHErdquo costituite da una serie (lsquoirregolarersquo) di fasi di carico scarico ricarico

ldquoDINAMICHErdquo caratterizzate da velocitagrave di applicazione cosigrave elevate da non poter trascurare le forze di inerzia e gli effetti indotti sul terreno

ciclica

t(s) t(s)

dinamica e ciclica

Rispetto al caso statico le condizioni dinamiche e cicliche producono nel terrenovariazione delle condizioni di drenaggio della rigidezza e della resistenzaeffetti viscosi

INTRODUZIONE

4

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Numero di cicli e tempi di applicazione (tc) tipici di alcune condizioni di carico

(Ishihara 1996)

Problemi dinamicitclt2-3 s (per ciclo)fgt03-05Hz

5

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In condizioni sismiche

la velocitagrave delle sollecitazioni indotte nel terreno egrave sufficientemente elevatada poter assumere condizioni di drenaggio impedito (CONDIZIONI NONDRENATE) con possibile accumulo di pressioni interstiziali nei terreni saturi

le deformazioni predominanti (e piugrave critiche per la stabilitagrave dei terreni e delleopere) sono le deformazioni di taglio γ (indotte dalle onde di taglio S)

γ = deformazione di taglio

G = modulo di taglio(o di rigidezza al taglio)

τ = sforzo di taglio

H

σv+τ

+δ σh

σv

-δ-τ

σh

γ = δH = τG

per la risoluzione dei problemi applicativi egrave sufficiente tenere conto dellegame sforzi tangenziali τ-deformazioni tangenziali γ

6

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prima

σrsquov0

Κ0 σrsquov0

σrsquov

Κ σrsquov

τ σrsquov

Κ σrsquov

τ

τσrsquov

σrsquohτ

σrsquov

σrsquoh

durante

Sollecitazioni su un elemento di terreno in condizioni free-field

7

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γ

t

γ

τγc

γc

τc

minusγc

minusγc

minusτc

EE

F

C

D

C

D

A

BLFA

B

Comportamento dei terreni in condizioni dinamiche e cicliche

τ

γ

τ

γ8

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

9

γ

τ

γc

τc

minusγc

minusτc

curva dorsale(backbone curve)

τpp

γpp

G1

Si assume come MODULO DI TAGLIO

CICLICOG = τppγpp

congMODULO DI TAGLIO

SECANTE(G = τCγC)

MODULO DI TAGLIO TANGENTE(G = dτdγ)

dτdγ

9

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

10

γ

τ

γc

τc

minusγc

minusτc

curva dorsale(backbone curve)

RAPPORTO DI SMORZAMENTO

∆W=Energia dissipata durante il cicloW=Energia elastica immagazzinata

durante la fase di primo carico

119915119915 =120783120783120786120786120645120645

∆119934119934119934119934

10

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11

Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento

soglia elastica

soglia volumetrica

deformazioneγ []

Campo di deformazioni piccole medie elevate

10-4 10-3 10-2 10-1 1

11

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Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)

τc2

τc=G0sdotγc

γc1

τc1

γc2 γ

τ

Modulo di taglio G = G0 = Gmax

Rapporto di smorzamentoD = D0

talvolta si assume D0=0

D0

A PICCOLE DEFORMAZIONI

(dominio elastico lineare)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

12

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1G1

D2

γc2γc1

G21

D1

γ

τ

τc2τc1

G2 lt G1

D2 gtD1

Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)

Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ)

A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

13

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ Ν)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)

A DEFORMAZIONIELEVATE

(dominio isteretico instabile)

γc

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

N

N

14

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi

Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli

Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

∆uN

Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N

Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza

(dyn)stat (N=1)

15

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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale

SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098

SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0

γ (log)

GG01

098

05

0 γl1 γl2

1 2

γ (log)

GG0

1

06005

0 γv1 γv2

1 2085

∆uσrsquo0

0001

16

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deformazioneγ []

Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile

Parametri

G0 D0

G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)

τcyc =τcyc (γN)

PROBLEMI TIPICI

Fondazioni di macchine vibranti

vibrazioni da traffico misure geofisiche

Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)

Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)

MODELLI Elastico o viscoelastico lineare

Viscoelastico lineare equivalente o non

lineareElasto-plastico

γl γv

10-4 10-3 10-2 10-1 1 10

Campi di deformazione ndash domini ndash modelli

17

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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO

18

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3

A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale

5

4

1

32

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

∆H

H

εa= ∆HH

19

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e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

5

4

1

32

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

e

σrsquo3

5

e=ecrit

3

Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)

CSL

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

20

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante

e

εa

ecrit5

4

1

32

contraente

dilatante

prima contraentepoi dilatante

e

σrsquo3

e=ecrit

contraente

dilatante

CSL

e gt ecrit

e lt ecrit

COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

σrsquo3=cost

21

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

22

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

23

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

24

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

25

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

27

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

28

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

29

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

30

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

33

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

34

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

35

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

36

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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Numero di cicli e tempi di applicazione (tc) tipici di alcune condizioni di carico

(Ishihara 1996)

Problemi dinamicitclt2-3 s (per ciclo)fgt03-05Hz

5

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In condizioni sismiche

la velocitagrave delle sollecitazioni indotte nel terreno egrave sufficientemente elevatada poter assumere condizioni di drenaggio impedito (CONDIZIONI NONDRENATE) con possibile accumulo di pressioni interstiziali nei terreni saturi

le deformazioni predominanti (e piugrave critiche per la stabilitagrave dei terreni e delleopere) sono le deformazioni di taglio γ (indotte dalle onde di taglio S)

γ = deformazione di taglio

G = modulo di taglio(o di rigidezza al taglio)

τ = sforzo di taglio

H

σv+τ

+δ σh

σv

-δ-τ

σh

γ = δH = τG

per la risoluzione dei problemi applicativi egrave sufficiente tenere conto dellegame sforzi tangenziali τ-deformazioni tangenziali γ

6

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prima

σrsquov0

Κ0 σrsquov0

σrsquov

Κ σrsquov

τ σrsquov

Κ σrsquov

τ

τσrsquov

σrsquohτ

σrsquov

σrsquoh

durante

Sollecitazioni su un elemento di terreno in condizioni free-field

7

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γ

t

γ

τγc

γc

τc

minusγc

minusγc

minusτc

EE

F

C

D

C

D

A

BLFA

B

Comportamento dei terreni in condizioni dinamiche e cicliche

τ

γ

τ

γ8

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9

γ

τ

γc

τc

minusγc

minusτc

curva dorsale(backbone curve)

τpp

γpp

G1

Si assume come MODULO DI TAGLIO

CICLICOG = τppγpp

congMODULO DI TAGLIO

SECANTE(G = τCγC)

MODULO DI TAGLIO TANGENTE(G = dτdγ)

dτdγ

9

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10

γ

τ

γc

τc

minusγc

minusτc

curva dorsale(backbone curve)

RAPPORTO DI SMORZAMENTO

∆W=Energia dissipata durante il cicloW=Energia elastica immagazzinata

durante la fase di primo carico

119915119915 =120783120783120786120786120645120645

∆119934119934119934119934

10

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11

Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento

soglia elastica

soglia volumetrica

deformazioneγ []

Campo di deformazioni piccole medie elevate

10-4 10-3 10-2 10-1 1

11

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Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)

τc2

τc=G0sdotγc

γc1

τc1

γc2 γ

τ

Modulo di taglio G = G0 = Gmax

Rapporto di smorzamentoD = D0

talvolta si assume D0=0

D0

A PICCOLE DEFORMAZIONI

(dominio elastico lineare)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

12

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1G1

D2

γc2γc1

G21

D1

γ

τ

τc2τc1

G2 lt G1

D2 gtD1

Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)

Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ)

A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

13

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ Ν)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)

A DEFORMAZIONIELEVATE

(dominio isteretico instabile)

γc

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

N

N

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi

Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli

Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

∆uN

Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N

Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza

(dyn)stat (N=1)

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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale

SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098

SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0

γ (log)

GG01

098

05

0 γl1 γl2

1 2

γ (log)

GG0

1

06005

0 γv1 γv2

1 2085

∆uσrsquo0

0001

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deformazioneγ []

Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile

Parametri

G0 D0

G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)

τcyc =τcyc (γN)

PROBLEMI TIPICI

Fondazioni di macchine vibranti

vibrazioni da traffico misure geofisiche

Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)

Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)

MODELLI Elastico o viscoelastico lineare

Viscoelastico lineare equivalente o non

lineareElasto-plastico

γl γv

10-4 10-3 10-2 10-1 1 10

Campi di deformazione ndash domini ndash modelli

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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO

18

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3

A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale

5

4

1

32

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

∆H

H

εa= ∆HH

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e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

5

4

1

32

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

e

σrsquo3

5

e=ecrit

3

Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)

CSL

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante

e

εa

ecrit5

4

1

32

contraente

dilatante

prima contraentepoi dilatante

e

σrsquo3

e=ecrit

contraente

dilatante

CSL

e gt ecrit

e lt ecrit

COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

σrsquo3=cost

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

24

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

79

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

86

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In condizioni sismiche

la velocitagrave delle sollecitazioni indotte nel terreno egrave sufficientemente elevatada poter assumere condizioni di drenaggio impedito (CONDIZIONI NONDRENATE) con possibile accumulo di pressioni interstiziali nei terreni saturi

le deformazioni predominanti (e piugrave critiche per la stabilitagrave dei terreni e delleopere) sono le deformazioni di taglio γ (indotte dalle onde di taglio S)

γ = deformazione di taglio

G = modulo di taglio(o di rigidezza al taglio)

τ = sforzo di taglio

H

σv+τ

+δ σh

σv

-δ-τ

σh

γ = δH = τG

per la risoluzione dei problemi applicativi egrave sufficiente tenere conto dellegame sforzi tangenziali τ-deformazioni tangenziali γ

6

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prima

σrsquov0

Κ0 σrsquov0

σrsquov

Κ σrsquov

τ σrsquov

Κ σrsquov

τ

τσrsquov

σrsquohτ

σrsquov

σrsquoh

durante

Sollecitazioni su un elemento di terreno in condizioni free-field

7

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γ

t

γ

τγc

γc

τc

minusγc

minusγc

minusτc

EE

F

C

D

C

D

A

BLFA

B

Comportamento dei terreni in condizioni dinamiche e cicliche

τ

γ

τ

γ8

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9

γ

τ

γc

τc

minusγc

minusτc

curva dorsale(backbone curve)

τpp

γpp

G1

Si assume come MODULO DI TAGLIO

CICLICOG = τppγpp

congMODULO DI TAGLIO

SECANTE(G = τCγC)

MODULO DI TAGLIO TANGENTE(G = dτdγ)

dτdγ

9

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10

γ

τ

γc

τc

minusγc

minusτc

curva dorsale(backbone curve)

RAPPORTO DI SMORZAMENTO

∆W=Energia dissipata durante il cicloW=Energia elastica immagazzinata

durante la fase di primo carico

119915119915 =120783120783120786120786120645120645

∆119934119934119934119934

10

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11

Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento

soglia elastica

soglia volumetrica

deformazioneγ []

Campo di deformazioni piccole medie elevate

10-4 10-3 10-2 10-1 1

11

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Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)

τc2

τc=G0sdotγc

γc1

τc1

γc2 γ

τ

Modulo di taglio G = G0 = Gmax

Rapporto di smorzamentoD = D0

talvolta si assume D0=0

D0

A PICCOLE DEFORMAZIONI

(dominio elastico lineare)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

12

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1G1

D2

γc2γc1

G21

D1

γ

τ

τc2τc1

G2 lt G1

D2 gtD1

Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)

Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ)

A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

13

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ Ν)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)

A DEFORMAZIONIELEVATE

(dominio isteretico instabile)

γc

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

N

N

14

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi

Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli

Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

∆uN

Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N

Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza

(dyn)stat (N=1)

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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale

SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098

SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0

γ (log)

GG01

098

05

0 γl1 γl2

1 2

γ (log)

GG0

1

06005

0 γv1 γv2

1 2085

∆uσrsquo0

0001

16

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deformazioneγ []

Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile

Parametri

G0 D0

G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)

τcyc =τcyc (γN)

PROBLEMI TIPICI

Fondazioni di macchine vibranti

vibrazioni da traffico misure geofisiche

Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)

Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)

MODELLI Elastico o viscoelastico lineare

Viscoelastico lineare equivalente o non

lineareElasto-plastico

γl γv

10-4 10-3 10-2 10-1 1 10

Campi di deformazione ndash domini ndash modelli

17

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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO

18

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3

A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale

5

4

1

32

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

∆H

H

εa= ∆HH

19

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e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

5

4

1

32

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

e

σrsquo3

5

e=ecrit

3

Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)

CSL

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

20

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante

e

εa

ecrit5

4

1

32

contraente

dilatante

prima contraentepoi dilatante

e

σrsquo3

e=ecrit

contraente

dilatante

CSL

e gt ecrit

e lt ecrit

COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

σrsquo3=cost

21

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

22

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

23

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

24

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

25

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

60

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

79

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

86

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prima

σrsquov0

Κ0 σrsquov0

σrsquov

Κ σrsquov

τ σrsquov

Κ σrsquov

τ

τσrsquov

σrsquohτ

σrsquov

σrsquoh

durante

Sollecitazioni su un elemento di terreno in condizioni free-field

7

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γ

t

γ

τγc

γc

τc

minusγc

minusγc

minusτc

EE

F

C

D

C

D

A

BLFA

B

Comportamento dei terreni in condizioni dinamiche e cicliche

τ

γ

τ

γ8

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9

γ

τ

γc

τc

minusγc

minusτc

curva dorsale(backbone curve)

τpp

γpp

G1

Si assume come MODULO DI TAGLIO

CICLICOG = τppγpp

congMODULO DI TAGLIO

SECANTE(G = τCγC)

MODULO DI TAGLIO TANGENTE(G = dτdγ)

dτdγ

9

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10

γ

τ

γc

τc

minusγc

minusτc

curva dorsale(backbone curve)

RAPPORTO DI SMORZAMENTO

∆W=Energia dissipata durante il cicloW=Energia elastica immagazzinata

durante la fase di primo carico

119915119915 =120783120783120786120786120645120645

∆119934119934119934119934

10

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11

Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento

soglia elastica

soglia volumetrica

deformazioneγ []

Campo di deformazioni piccole medie elevate

10-4 10-3 10-2 10-1 1

11

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Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)

τc2

τc=G0sdotγc

γc1

τc1

γc2 γ

τ

Modulo di taglio G = G0 = Gmax

Rapporto di smorzamentoD = D0

talvolta si assume D0=0

D0

A PICCOLE DEFORMAZIONI

(dominio elastico lineare)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

12

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1G1

D2

γc2γc1

G21

D1

γ

τ

τc2τc1

G2 lt G1

D2 gtD1

Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)

Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ)

A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

13

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ Ν)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)

A DEFORMAZIONIELEVATE

(dominio isteretico instabile)

γc

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

N

N

14

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi

Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli

Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

∆uN

Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N

Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza

(dyn)stat (N=1)

15

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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale

SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098

SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0

γ (log)

GG01

098

05

0 γl1 γl2

1 2

γ (log)

GG0

1

06005

0 γv1 γv2

1 2085

∆uσrsquo0

0001

16

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deformazioneγ []

Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile

Parametri

G0 D0

G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)

τcyc =τcyc (γN)

PROBLEMI TIPICI

Fondazioni di macchine vibranti

vibrazioni da traffico misure geofisiche

Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)

Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)

MODELLI Elastico o viscoelastico lineare

Viscoelastico lineare equivalente o non

lineareElasto-plastico

γl γv

10-4 10-3 10-2 10-1 1 10

Campi di deformazione ndash domini ndash modelli

17

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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO

18

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3

A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale

5

4

1

32

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

∆H

H

εa= ∆HH

19

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e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

5

4

1

32

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

e

σrsquo3

5

e=ecrit

3

Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)

CSL

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

20

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante

e

εa

ecrit5

4

1

32

contraente

dilatante

prima contraentepoi dilatante

e

σrsquo3

e=ecrit

contraente

dilatante

CSL

e gt ecrit

e lt ecrit

COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

σrsquo3=cost

21

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

22

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

23

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

24

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

25

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

27

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

40

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

41

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

43

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

48

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

49

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

50

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

51

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

52

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

53

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

54

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

60

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

86

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γ

t

γ

τγc

γc

τc

minusγc

minusγc

minusτc

EE

F

C

D

C

D

A

BLFA

B

Comportamento dei terreni in condizioni dinamiche e cicliche

τ

γ

τ

γ8

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9

γ

τ

γc

τc

minusγc

minusτc

curva dorsale(backbone curve)

τpp

γpp

G1

Si assume come MODULO DI TAGLIO

CICLICOG = τppγpp

congMODULO DI TAGLIO

SECANTE(G = τCγC)

MODULO DI TAGLIO TANGENTE(G = dτdγ)

dτdγ

9

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10

γ

τ

γc

τc

minusγc

minusτc

curva dorsale(backbone curve)

RAPPORTO DI SMORZAMENTO

∆W=Energia dissipata durante il cicloW=Energia elastica immagazzinata

durante la fase di primo carico

119915119915 =120783120783120786120786120645120645

∆119934119934119934119934

10

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11

Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento

soglia elastica

soglia volumetrica

deformazioneγ []

Campo di deformazioni piccole medie elevate

10-4 10-3 10-2 10-1 1

11

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Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)

τc2

τc=G0sdotγc

γc1

τc1

γc2 γ

τ

Modulo di taglio G = G0 = Gmax

Rapporto di smorzamentoD = D0

talvolta si assume D0=0

D0

A PICCOLE DEFORMAZIONI

(dominio elastico lineare)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

12

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1G1

D2

γc2γc1

G21

D1

γ

τ

τc2τc1

G2 lt G1

D2 gtD1

Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)

Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ)

A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

13

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ Ν)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)

A DEFORMAZIONIELEVATE

(dominio isteretico instabile)

γc

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

N

N

14

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi

Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli

Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

∆uN

Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N

Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza

(dyn)stat (N=1)

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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale

SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098

SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0

γ (log)

GG01

098

05

0 γl1 γl2

1 2

γ (log)

GG0

1

06005

0 γv1 γv2

1 2085

∆uσrsquo0

0001

16

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deformazioneγ []

Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile

Parametri

G0 D0

G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)

τcyc =τcyc (γN)

PROBLEMI TIPICI

Fondazioni di macchine vibranti

vibrazioni da traffico misure geofisiche

Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)

Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)

MODELLI Elastico o viscoelastico lineare

Viscoelastico lineare equivalente o non

lineareElasto-plastico

γl γv

10-4 10-3 10-2 10-1 1 10

Campi di deformazione ndash domini ndash modelli

17

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO

18

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3

A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale

5

4

1

32

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

∆H

H

εa= ∆HH

19

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e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

5

4

1

32

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

e

σrsquo3

5

e=ecrit

3

Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)

CSL

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

20

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante

e

εa

ecrit5

4

1

32

contraente

dilatante

prima contraentepoi dilatante

e

σrsquo3

e=ecrit

contraente

dilatante

CSL

e gt ecrit

e lt ecrit

COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

σrsquo3=cost

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

24

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

40

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

45

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

48

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

49

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

50

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

51

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

52

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

53

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

54

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

55

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

56

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

58

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

60

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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9

γ

τ

γc

τc

minusγc

minusτc

curva dorsale(backbone curve)

τpp

γpp

G1

Si assume come MODULO DI TAGLIO

CICLICOG = τppγpp

congMODULO DI TAGLIO

SECANTE(G = τCγC)

MODULO DI TAGLIO TANGENTE(G = dτdγ)

dτdγ

9

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γ

τ

γc

τc

minusγc

minusτc

curva dorsale(backbone curve)

RAPPORTO DI SMORZAMENTO

∆W=Energia dissipata durante il cicloW=Energia elastica immagazzinata

durante la fase di primo carico

119915119915 =120783120783120786120786120645120645

∆119934119934119934119934

10

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11

Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento

soglia elastica

soglia volumetrica

deformazioneγ []

Campo di deformazioni piccole medie elevate

10-4 10-3 10-2 10-1 1

11

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Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)

τc2

τc=G0sdotγc

γc1

τc1

γc2 γ

τ

Modulo di taglio G = G0 = Gmax

Rapporto di smorzamentoD = D0

talvolta si assume D0=0

D0

A PICCOLE DEFORMAZIONI

(dominio elastico lineare)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

12

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1G1

D2

γc2γc1

G21

D1

γ

τ

τc2τc1

G2 lt G1

D2 gtD1

Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)

Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ)

A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

13

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ Ν)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)

A DEFORMAZIONIELEVATE

(dominio isteretico instabile)

γc

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

N

N

14

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi

Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli

Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

∆uN

Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N

Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza

(dyn)stat (N=1)

15

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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale

SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098

SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0

γ (log)

GG01

098

05

0 γl1 γl2

1 2

γ (log)

GG0

1

06005

0 γv1 γv2

1 2085

∆uσrsquo0

0001

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deformazioneγ []

Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile

Parametri

G0 D0

G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)

τcyc =τcyc (γN)

PROBLEMI TIPICI

Fondazioni di macchine vibranti

vibrazioni da traffico misure geofisiche

Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)

Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)

MODELLI Elastico o viscoelastico lineare

Viscoelastico lineare equivalente o non

lineareElasto-plastico

γl γv

10-4 10-3 10-2 10-1 1 10

Campi di deformazione ndash domini ndash modelli

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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO

18

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3

A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale

5

4

1

32

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

∆H

H

εa= ∆HH

19

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e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

5

4

1

32

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

e

σrsquo3

5

e=ecrit

3

Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)

CSL

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

20

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante

e

εa

ecrit5

4

1

32

contraente

dilatante

prima contraentepoi dilatante

e

σrsquo3

e=ecrit

contraente

dilatante

CSL

e gt ecrit

e lt ecrit

COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

σrsquo3=cost

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

24

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

48

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

49

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

50

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

51

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

52

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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γ

τ

γc

τc

minusγc

minusτc

curva dorsale(backbone curve)

RAPPORTO DI SMORZAMENTO

∆W=Energia dissipata durante il cicloW=Energia elastica immagazzinata

durante la fase di primo carico

119915119915 =120783120783120786120786120645120645

∆119934119934119934119934

10

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11

Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento

soglia elastica

soglia volumetrica

deformazioneγ []

Campo di deformazioni piccole medie elevate

10-4 10-3 10-2 10-1 1

11

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)

τc2

τc=G0sdotγc

γc1

τc1

γc2 γ

τ

Modulo di taglio G = G0 = Gmax

Rapporto di smorzamentoD = D0

talvolta si assume D0=0

D0

A PICCOLE DEFORMAZIONI

(dominio elastico lineare)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

12

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

1G1

D2

γc2γc1

G21

D1

γ

τ

τc2τc1

G2 lt G1

D2 gtD1

Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)

Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ)

A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ Ν)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)

A DEFORMAZIONIELEVATE

(dominio isteretico instabile)

γc

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

N

N

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi

Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli

Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

∆uN

Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N

Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza

(dyn)stat (N=1)

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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale

SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098

SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0

γ (log)

GG01

098

05

0 γl1 γl2

1 2

γ (log)

GG0

1

06005

0 γv1 γv2

1 2085

∆uσrsquo0

0001

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deformazioneγ []

Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile

Parametri

G0 D0

G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)

τcyc =τcyc (γN)

PROBLEMI TIPICI

Fondazioni di macchine vibranti

vibrazioni da traffico misure geofisiche

Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)

Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)

MODELLI Elastico o viscoelastico lineare

Viscoelastico lineare equivalente o non

lineareElasto-plastico

γl γv

10-4 10-3 10-2 10-1 1 10

Campi di deformazione ndash domini ndash modelli

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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3

A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale

5

4

1

32

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

∆H

H

εa= ∆HH

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e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

5

4

1

32

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

e

σrsquo3

5

e=ecrit

3

Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)

CSL

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante

e

εa

ecrit5

4

1

32

contraente

dilatante

prima contraentepoi dilatante

e

σrsquo3

e=ecrit

contraente

dilatante

CSL

e gt ecrit

e lt ecrit

COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

σrsquo3=cost

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

40

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni - Claudia MadiaiFirenze 24 Ottobre 2017

SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

11

Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento

soglia elastica

soglia volumetrica

deformazioneγ []

Campo di deformazioni piccole medie elevate

10-4 10-3 10-2 10-1 1

11

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)

τc2

τc=G0sdotγc

γc1

τc1

γc2 γ

τ

Modulo di taglio G = G0 = Gmax

Rapporto di smorzamentoD = D0

talvolta si assume D0=0

D0

A PICCOLE DEFORMAZIONI

(dominio elastico lineare)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

12

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1G1

D2

γc2γc1

G21

D1

γ

τ

τc2τc1

G2 lt G1

D2 gtD1

Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)

Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ)

A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

13

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ Ν)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)

A DEFORMAZIONIELEVATE

(dominio isteretico instabile)

γc

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

N

N

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi

Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli

Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

∆uN

Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N

Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza

(dyn)stat (N=1)

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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale

SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098

SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0

γ (log)

GG01

098

05

0 γl1 γl2

1 2

γ (log)

GG0

1

06005

0 γv1 γv2

1 2085

∆uσrsquo0

0001

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deformazioneγ []

Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile

Parametri

G0 D0

G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)

τcyc =τcyc (γN)

PROBLEMI TIPICI

Fondazioni di macchine vibranti

vibrazioni da traffico misure geofisiche

Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)

Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)

MODELLI Elastico o viscoelastico lineare

Viscoelastico lineare equivalente o non

lineareElasto-plastico

γl γv

10-4 10-3 10-2 10-1 1 10

Campi di deformazione ndash domini ndash modelli

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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3

A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale

5

4

1

32

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

∆H

H

εa= ∆HH

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e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

5

4

1

32

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

e

σrsquo3

5

e=ecrit

3

Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)

CSL

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante

e

εa

ecrit5

4

1

32

contraente

dilatante

prima contraentepoi dilatante

e

σrsquo3

e=ecrit

contraente

dilatante

CSL

e gt ecrit

e lt ecrit

COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

σrsquo3=cost

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni - Claudia MadiaiFirenze 24 Ottobre 2017

SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)

τc2

τc=G0sdotγc

γc1

τc1

γc2 γ

τ

Modulo di taglio G = G0 = Gmax

Rapporto di smorzamentoD = D0

talvolta si assume D0=0

D0

A PICCOLE DEFORMAZIONI

(dominio elastico lineare)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

12

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

1G1

D2

γc2γc1

G21

D1

γ

τ

τc2τc1

G2 lt G1

D2 gtD1

Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)

Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ)

A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

13

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ Ν)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)

A DEFORMAZIONIELEVATE

(dominio isteretico instabile)

γc

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

N

N

14

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi

Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli

Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

∆uN

Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N

Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza

(dyn)stat (N=1)

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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale

SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098

SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0

γ (log)

GG01

098

05

0 γl1 γl2

1 2

γ (log)

GG0

1

06005

0 γv1 γv2

1 2085

∆uσrsquo0

0001

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deformazioneγ []

Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile

Parametri

G0 D0

G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)

τcyc =τcyc (γN)

PROBLEMI TIPICI

Fondazioni di macchine vibranti

vibrazioni da traffico misure geofisiche

Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)

Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)

MODELLI Elastico o viscoelastico lineare

Viscoelastico lineare equivalente o non

lineareElasto-plastico

γl γv

10-4 10-3 10-2 10-1 1 10

Campi di deformazione ndash domini ndash modelli

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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO

18

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3

A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale

5

4

1

32

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

∆H

H

εa= ∆HH

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e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

5

4

1

32

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

e

σrsquo3

5

e=ecrit

3

Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)

CSL

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante

e

εa

ecrit5

4

1

32

contraente

dilatante

prima contraentepoi dilatante

e

σrsquo3

e=ecrit

contraente

dilatante

CSL

e gt ecrit

e lt ecrit

COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

σrsquo3=cost

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

1G1

D2

γc2γc1

G21

D1

γ

τ

τc2τc1

G2 lt G1

D2 gtD1

Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)

Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ)

A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)

γ (log)

1

0 γl

D

γv

GG0

13

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ Ν)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)

A DEFORMAZIONIELEVATE

(dominio isteretico instabile)

γc

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

N

N

14

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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi

Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli

Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

∆uN

Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N

Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza

(dyn)stat (N=1)

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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale

SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098

SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0

γ (log)

GG01

098

05

0 γl1 γl2

1 2

γ (log)

GG0

1

06005

0 γv1 γv2

1 2085

∆uσrsquo0

0001

16

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deformazioneγ []

Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile

Parametri

G0 D0

G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)

τcyc =τcyc (γN)

PROBLEMI TIPICI

Fondazioni di macchine vibranti

vibrazioni da traffico misure geofisiche

Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)

Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)

MODELLI Elastico o viscoelastico lineare

Viscoelastico lineare equivalente o non

lineareElasto-plastico

γl γv

10-4 10-3 10-2 10-1 1 10

Campi di deformazione ndash domini ndash modelli

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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO

18

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3

A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale

5

4

1

32

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

∆H

H

εa= ∆HH

19

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e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

5

4

1

32

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

e

σrsquo3

5

e=ecrit

3

Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)

CSL

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante

e

εa

ecrit5

4

1

32

contraente

dilatante

prima contraentepoi dilatante

e

σrsquo3

e=ecrit

contraente

dilatante

CSL

e gt ecrit

e lt ecrit

COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

σrsquo3=cost

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni - Claudia MadiaiFirenze 24 Ottobre 2017

SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N

Modulo di taglio G = G(γ Ν)

Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)

A DEFORMAZIONIELEVATE

(dominio isteretico instabile)

γc

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

N

N

14

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi

Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli

Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

∆uN

Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N

Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza

(dyn)stat (N=1)

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale

SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098

SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0

γ (log)

GG01

098

05

0 γl1 γl2

1 2

γ (log)

GG0

1

06005

0 γv1 γv2

1 2085

∆uσrsquo0

0001

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deformazioneγ []

Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile

Parametri

G0 D0

G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)

τcyc =τcyc (γN)

PROBLEMI TIPICI

Fondazioni di macchine vibranti

vibrazioni da traffico misure geofisiche

Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)

Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)

MODELLI Elastico o viscoelastico lineare

Viscoelastico lineare equivalente o non

lineareElasto-plastico

γl γv

10-4 10-3 10-2 10-1 1 10

Campi di deformazione ndash domini ndash modelli

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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO

18

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3

A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale

5

4

1

32

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

∆H

H

εa= ∆HH

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e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

5

4

1

32

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

e

σrsquo3

5

e=ecrit

3

Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)

CSL

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante

e

εa

ecrit5

4

1

32

contraente

dilatante

prima contraentepoi dilatante

e

σrsquo3

e=ecrit

contraente

dilatante

CSL

e gt ecrit

e lt ecrit

COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

σrsquo3=cost

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni - Claudia MadiaiFirenze 24 Ottobre 2017

SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi

Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli

Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)

GG0

γ (log)

1

0 γl

D

γv

∆uN

Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N

Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza

(dyn)stat (N=1)

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale

SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098

SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0

γ (log)

GG01

098

05

0 γl1 γl2

1 2

γ (log)

GG0

1

06005

0 γv1 γv2

1 2085

∆uσrsquo0

0001

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deformazioneγ []

Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile

Parametri

G0 D0

G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)

τcyc =τcyc (γN)

PROBLEMI TIPICI

Fondazioni di macchine vibranti

vibrazioni da traffico misure geofisiche

Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)

Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)

MODELLI Elastico o viscoelastico lineare

Viscoelastico lineare equivalente o non

lineareElasto-plastico

γl γv

10-4 10-3 10-2 10-1 1 10

Campi di deformazione ndash domini ndash modelli

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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3

A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale

5

4

1

32

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

∆H

H

εa= ∆HH

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e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

5

4

1

32

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

e

σrsquo3

5

e=ecrit

3

Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)

CSL

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante

e

εa

ecrit5

4

1

32

contraente

dilatante

prima contraentepoi dilatante

e

σrsquo3

e=ecrit

contraente

dilatante

CSL

e gt ecrit

e lt ecrit

COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

σrsquo3=cost

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

41

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni - Claudia MadiaiFirenze 24 Ottobre 2017

SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale

SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098

SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0

γ (log)

GG01

098

05

0 γl1 γl2

1 2

γ (log)

GG0

1

06005

0 γv1 γv2

1 2085

∆uσrsquo0

0001

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deformazioneγ []

Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile

Parametri

G0 D0

G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)

τcyc =τcyc (γN)

PROBLEMI TIPICI

Fondazioni di macchine vibranti

vibrazioni da traffico misure geofisiche

Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)

Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)

MODELLI Elastico o viscoelastico lineare

Viscoelastico lineare equivalente o non

lineareElasto-plastico

γl γv

10-4 10-3 10-2 10-1 1 10

Campi di deformazione ndash domini ndash modelli

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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3

A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale

5

4

1

32

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

∆H

H

εa= ∆HH

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e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

5

4

1

32

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

e

σrsquo3

5

e=ecrit

3

Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)

CSL

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante

e

εa

ecrit5

4

1

32

contraente

dilatante

prima contraentepoi dilatante

e

σrsquo3

e=ecrit

contraente

dilatante

CSL

e gt ecrit

e lt ecrit

COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

σrsquo3=cost

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

45

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

48

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

49

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

50

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

51

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

52

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

53

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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deformazioneγ []

Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile

Parametri

G0 D0

G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)

τcyc =τcyc (γN)

PROBLEMI TIPICI

Fondazioni di macchine vibranti

vibrazioni da traffico misure geofisiche

Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)

Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)

MODELLI Elastico o viscoelastico lineare

Viscoelastico lineare equivalente o non

lineareElasto-plastico

γl γv

10-4 10-3 10-2 10-1 1 10

Campi di deformazione ndash domini ndash modelli

17

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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO

18

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3

A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale

5

4

1

32

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

∆H

H

εa= ∆HH

19

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

5

4

1

32

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

e

σrsquo3

5

e=ecrit

3

Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)

CSL

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

20

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante

e

εa

ecrit5

4

1

32

contraente

dilatante

prima contraentepoi dilatante

e

σrsquo3

e=ecrit

contraente

dilatante

CSL

e gt ecrit

e lt ecrit

COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

σrsquo3=cost

21

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

50

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

51

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

52

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

53

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

86

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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3

A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale

5

4

1

32

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

∆H

H

εa= ∆HH

19

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e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

5

4

1

32

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

e

σrsquo3

5

e=ecrit

3

Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)

CSL

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante

e

εa

ecrit5

4

1

32

contraente

dilatante

prima contraentepoi dilatante

e

σrsquo3

e=ecrit

contraente

dilatante

CSL

e gt ecrit

e lt ecrit

COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

σrsquo3=cost

21

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

23

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

58

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

59

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

60

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3

A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale

5

4

1

32

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

∆H

H

εa= ∆HH

19

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e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

5

4

1

32

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

e

σrsquo3

5

e=ecrit

3

Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)

CSL

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

20

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante

e

εa

ecrit5

4

1

32

contraente

dilatante

prima contraentepoi dilatante

e

σrsquo3

e=ecrit

contraente

dilatante

CSL

e gt ecrit

e lt ecrit

COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

σrsquo3=cost

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

27

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

30

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

33

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

40

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

79

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

86

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  • Diapositiva numero 2
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  • Diapositiva numero 86
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e

εa

ecrit

σrsquo3=cost

5

4

1

32

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

e

σrsquo3

5

e=ecrit

3

Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)

CSL

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

20

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante

e

εa

ecrit5

4

1

32

contraente

dilatante

prima contraentepoi dilatante

e

σrsquo3

e=ecrit

contraente

dilatante

CSL

e gt ecrit

e lt ecrit

COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

σrsquo3=cost

21

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

22

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

24

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

25

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

27

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

28

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

29

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

30

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

33

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

34

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

36

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante

e

εa

ecrit5

4

1

32

contraente

dilatante

prima contraentepoi dilatante

e

σrsquo3

e=ecrit

contraente

dilatante

CSL

e gt ecrit

e lt ecrit

COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE

CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO

σrsquo3=cost

21

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

23

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

34

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

40

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

48

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

49

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

50

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

51

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

52

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

53

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

55

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

56

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

58

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

60

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

86

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Comportamento contraente e dilatante

CONDIZIONI DRENATE

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle

pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle

pressioni interstiziali

σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

∆V

u0u0+∆u

CONDIZIONI NON DRENATE

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

23

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

58

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

59

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

60

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

79

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

86

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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3

σrsquo3

σ1 -σ3

e

σrsquo3

e=ecrit

BrsquoB εa

∆u (+)

In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)

seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica

AArsquo A-Arsquo

B-Brsquo

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

24

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

34

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)

εa

∆u(+)

contraente

dilatante

contraente poi dilatante

q

εa

A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation

A

B

C

prsquo

qSSL

A

B

C

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

Linea di Trasformazione di Fase

PTL

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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

48

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

49

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

60

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

86

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  • Diapositiva numero 86
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)

densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato

Comportamento contraente

densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso

Comportamento dilatante

densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio

Comportamento contraente e dilatante

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici

25

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

27

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

79

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

86

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47

accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato

di deformazioni

ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)

B) Sabbia densa ndash Dr=75

accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle

deformazioni

ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE

(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)

RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26

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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

27

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

28

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

29

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

30

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

33

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

34

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

35

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

36

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)

dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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q

prsquo

valori di prsquo molto bassi

(courtesy of G Lanzo mod)

ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )

le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip

poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

36

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)

allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza

la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla

le deformazioni crescono in modo regolare

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE

La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita

La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato

10

cong∆=σ

uru

in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione

ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =

La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale

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(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

(Cubrinovski 2011)

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

79

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

86

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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)

La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno

bL

)N(aCRR minussdot== 0στ

Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

con a e b costanti del materiale

Espressione tipica della curva di resistenza

NL1

τσrsquo

0

1032

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

33

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

34

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

40

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

44

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

45

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

48

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

49

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

50

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

51

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

52

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

53

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

55

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

56

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

60

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

86

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S

D

a

ppappaaa

WWD

EG

E

sdot=rArr

+sdot=rArr+sdot

=rArr

∆=∆=

π

νεγν

εσεσ

4

)1()1(2

per terreno saturo in condizioni non drenate

ν =05

Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

33

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA

0 189583 0 800

-150

-100

-50

0

50

100

150

-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()

q (k

Pa)

-040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-30

-20

-10

00

10

20

30

εa()CSReps ()

εDAgt25

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250p(kPa)

q (k

Pa) PT

FL

PTFL -040

-030

-020

-010

000

010

020

030

040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc

CSR

-10

-08

-06

-04

-02

00

02

04

06

08

10

Ru

CSRRuRu=09

(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)

119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime

=119850119850120784120784 119849119849119849

cong 120782120782120784120784120784120784

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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(De Alba et al 1976)

Comportamento a rottura dei terreni incoerenti

INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

48

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

49

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

50

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

51

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

52

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

55

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

56

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

60

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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  • Diapositiva numero 86
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)

NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE

τe = 065 τmax

N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)

M Neq

812 26712 15634 10

6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982

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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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  • Diapositiva numero 86
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METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni ndash Claudia MadiaiFirenze 24 novembre 2017

Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave

di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal

terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq

CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE

curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito

alla profonditagrave di verifica

liquefacibile

non liquefacibile

Neq

120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

53

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E

CAUSE PREDISPONENTI

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

86

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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate

Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)

LA LIQUEFAZIONE

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

40

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

86

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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)

Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan

0ϕσϕστ

∆+minus== uuf

argilla

sabbia

argilla

bedrock

τσrsquov

σrsquohτ

at

u = u0+∆u

σrsquov

u0

(da Lanzo)

EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE

)u1( n

ff0

0σ∆ττ minussdot=

resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale

(normale al piano di rottura)

rArr perdita di resistenza

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno

Movimenti franosi

Ribaltamento di edifici

EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

43

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

44

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

86

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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi

ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)

ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE

ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione

FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA

43

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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

44

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

48

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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  • Diapositiva numero 82
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  • Diapositiva numero 84
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  • Diapositiva numero 86
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali

cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi

FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO

FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e

opere di sostegno franeDanni gravissimi

Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)

Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc

Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)

44

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

48

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

49

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

50

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

51

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

53

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

79

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

86

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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)

Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)

Motagua River (Guatemala 1976)

(Niigata Japan 1964)

Fluidificazione (F)

45

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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

48

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

49

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

50

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

51

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

52

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

53

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

55

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

58

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

60

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

79

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

86

  • Diapositiva numero 1
  • Diapositiva numero 2
  • Diapositiva numero 3
  • Diapositiva numero 4
  • Diapositiva numero 5
  • Diapositiva numero 6
  • Diapositiva numero 7
  • Diapositiva numero 8
  • Diapositiva numero 9
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  • Diapositiva numero 20
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  • Diapositiva numero 24
  • Diapositiva numero 25
  • Diapositiva numero 26
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  • Diapositiva numero 29
  • Diapositiva numero 30
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  • Diapositiva numero 32
  • Diapositiva numero 33
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  • Diapositiva numero 35
  • Diapositiva numero 36
  • Diapositiva numero 37
  • Diapositiva numero 38
  • Diapositiva numero 39
  • Diapositiva numero 40
  • Diapositiva numero 41
  • Diapositiva numero 42
  • Diapositiva numero 43
  • Diapositiva numero 44
  • Diapositiva numero 45
  • Diapositiva numero 46
  • Diapositiva numero 47
  • Diapositiva numero 48
  • Diapositiva numero 49
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  • Diapositiva numero 51
  • Diapositiva numero 52
  • Diapositiva numero 53
  • Diapositiva numero 54
  • Diapositiva numero 55
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  • Diapositiva numero 58
  • Diapositiva numero 59
  • Diapositiva numero 60
  • Diapositiva numero 61
  • Diapositiva numero 62
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  • Diapositiva numero 65
  • Diapositiva numero 66
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  • Diapositiva numero 69
  • Diapositiva numero 70
  • Diapositiva numero 71
  • Diapositiva numero 72
  • Diapositiva numero 73
  • Diapositiva numero 74
  • Diapositiva numero 75
  • Diapositiva numero 76
  • Diapositiva numero 77
  • Diapositiva numero 78
  • Diapositiva numero 79
  • Diapositiva numero 80
  • Diapositiva numero 81
  • Diapositiva numero 82
  • Diapositiva numero 83
  • Diapositiva numero 84
  • Diapositiva numero 85
  • Diapositiva numero 86
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea

prima

crateri

cedimenti

Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)

durante dopo

particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro

(σprimegt 0)

perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a

che σprime asymp 0

dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento

delle particelle46

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

48

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

49

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

50

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

51

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

52

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

53

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

54

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

55

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

56

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

57

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

58

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

60

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

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Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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prima durante dopo

Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia

Terreno sabbioso

Terreno non liquefacibile

cedimenti

Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile

La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della

liquefazione fanno riferimento a questo caso47

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

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Emilia Romagna 2012 - M=59

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Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

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La liquefazione egrave influenzata da

comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)

distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla

presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)

CARATTERISTICHE DEL TERRENO

CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi

FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55

PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec

Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m

Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15

La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni

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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

50

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

51

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

52

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

53

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

54

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

55

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

56

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

57

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

58

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

59

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

60

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

86

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  • Diapositiva numero 84
  • Diapositiva numero 85
  • Diapositiva numero 86
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CASO M Dr()

amax(g)

durata (s)

Periodo(s)

Lique-fazione

Niigata(1964)

75 53 016 40 080 Sigrave

Niigata(1964)

75 64 016 40 080 Sigrave

Alaska(1964)

92 50 015 180 1 Sigrave

Alaska(1964)

92 99 012 180 1 No

Tokachioki(1968)

78 80 021 45 1 No

Tokachioki(1968)

78 55 018 45 1 Sigrave

SFernando(1971)

66 30 040 15 040 Sigrave

LA LIQUEFAZIONE

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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

79

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

86

  • Diapositiva numero 1
  • Diapositiva numero 2
  • Diapositiva numero 3
  • Diapositiva numero 4
  • Diapositiva numero 5
  • Diapositiva numero 6
  • Diapositiva numero 7
  • Diapositiva numero 8
  • Diapositiva numero 9
  • Diapositiva numero 10
  • Diapositiva numero 11
  • Diapositiva numero 12
  • Diapositiva numero 13
  • Diapositiva numero 14
  • Diapositiva numero 15
  • Diapositiva numero 16
  • Diapositiva numero 17
  • Diapositiva numero 18
  • Diapositiva numero 19
  • Diapositiva numero 20
  • Diapositiva numero 21
  • Diapositiva numero 22
  • Diapositiva numero 23
  • Diapositiva numero 24
  • Diapositiva numero 25
  • Diapositiva numero 26
  • Diapositiva numero 27
  • Diapositiva numero 28
  • Diapositiva numero 29
  • Diapositiva numero 30
  • Diapositiva numero 31
  • Diapositiva numero 32
  • Diapositiva numero 33
  • Diapositiva numero 34
  • Diapositiva numero 35
  • Diapositiva numero 36
  • Diapositiva numero 37
  • Diapositiva numero 38
  • Diapositiva numero 39
  • Diapositiva numero 40
  • Diapositiva numero 41
  • Diapositiva numero 42
  • Diapositiva numero 43
  • Diapositiva numero 44
  • Diapositiva numero 45
  • Diapositiva numero 46
  • Diapositiva numero 47
  • Diapositiva numero 48
  • Diapositiva numero 49
  • Diapositiva numero 50
  • Diapositiva numero 51
  • Diapositiva numero 52
  • Diapositiva numero 53
  • Diapositiva numero 54
  • Diapositiva numero 55
  • Diapositiva numero 56
  • Diapositiva numero 57
  • Diapositiva numero 58
  • Diapositiva numero 59
  • Diapositiva numero 60
  • Diapositiva numero 61
  • Diapositiva numero 62
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  • Diapositiva numero 65
  • Diapositiva numero 66
  • Diapositiva numero 67
  • Diapositiva numero 68
  • Diapositiva numero 69
  • Diapositiva numero 70
  • Diapositiva numero 71
  • Diapositiva numero 72
  • Diapositiva numero 73
  • Diapositiva numero 74
  • Diapositiva numero 75
  • Diapositiva numero 76
  • Diapositiva numero 77
  • Diapositiva numero 78
  • Diapositiva numero 79
  • Diapositiva numero 80
  • Diapositiva numero 81
  • Diapositiva numero 82
  • Diapositiva numero 83
  • Diapositiva numero 84
  • Diapositiva numero 85
  • Diapositiva numero 86
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-

fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No

Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave

Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave

Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave

Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No

Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave

Tokachioki(1968)

78 26 4 58 Sigrave

σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato

LA LIQUEFAZIONE

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

79

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi

fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto

superficiale (H lt 5m)

prima durante

hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato

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500 m

10

0

20livello di falda (23072012)

S10

(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

56

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

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20livello di falda (23072012)

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(Martelli 2012)

Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)

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2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

55

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

56

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

57

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

59

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

60

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

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  • Diapositiva numero 82
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  • Diapositiva numero 85
  • Diapositiva numero 86
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1599

2012

Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e

artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)

MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

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Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crateri e vulcanelli

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

79

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

86

  • Diapositiva numero 1
  • Diapositiva numero 2
  • Diapositiva numero 3
  • Diapositiva numero 4
  • Diapositiva numero 5
  • Diapositiva numero 6
  • Diapositiva numero 7
  • Diapositiva numero 8
  • Diapositiva numero 9
  • Diapositiva numero 10
  • Diapositiva numero 11
  • Diapositiva numero 12
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  • Diapositiva numero 14
  • Diapositiva numero 15
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  • Diapositiva numero 18
  • Diapositiva numero 19
  • Diapositiva numero 20
  • Diapositiva numero 21
  • Diapositiva numero 22
  • Diapositiva numero 23
  • Diapositiva numero 24
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  • Diapositiva numero 31
  • Diapositiva numero 32
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  • Diapositiva numero 35
  • Diapositiva numero 36
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  • Diapositiva numero 43
  • Diapositiva numero 44
  • Diapositiva numero 45
  • Diapositiva numero 46
  • Diapositiva numero 47
  • Diapositiva numero 48
  • Diapositiva numero 49
  • Diapositiva numero 50
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  • Diapositiva numero 55
  • Diapositiva numero 56
  • Diapositiva numero 57
  • Diapositiva numero 58
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  • Diapositiva numero 60
  • Diapositiva numero 61
  • Diapositiva numero 62
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  • Diapositiva numero 71
  • Diapositiva numero 72
  • Diapositiva numero 73
  • Diapositiva numero 74
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  • Diapositiva numero 78
  • Diapositiva numero 79
  • Diapositiva numero 80
  • Diapositiva numero 81
  • Diapositiva numero 82
  • Diapositiva numero 83
  • Diapositiva numero 84
  • Diapositiva numero 85
  • Diapositiva numero 86
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia

57

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

58

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

59

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

60

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

79

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

60

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni - Claudia MadiaiFirenze 24 Ottobre 2017

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

86

  • Diapositiva numero 1
  • Diapositiva numero 2
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  • Diapositiva numero 4
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  • Diapositiva numero 6
  • Diapositiva numero 7
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Loma Prieta California 1989 - M=71

60

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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

79

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

86

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  • Diapositiva numero 54
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  • Diapositiva numero 58
  • Diapositiva numero 59
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  • Diapositiva numero 64
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno

Emilia Romagna 2012- M=5961

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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

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75

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

79

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

86

  • Diapositiva numero 1
  • Diapositiva numero 2
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  • Diapositiva numero 6
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Abbassamenti del terreno

Niigata Japan 2004 - M=6862

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Lateral spreading

Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

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Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

79

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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Loma Prieta California 1989 - M=7163

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

79

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Christchurch 2011

2011061380

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

grazie per lrsquoattenzione

86

  • Diapositiva numero 1
  • Diapositiva numero 2
  • Diapositiva numero 3
  • Diapositiva numero 4
  • Diapositiva numero 5
  • Diapositiva numero 6
  • Diapositiva numero 7
  • Diapositiva numero 8
  • Diapositiva numero 9
  • Diapositiva numero 10
  • Diapositiva numero 11
  • Diapositiva numero 12
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  • Diapositiva numero 84
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey

Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading

64

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Movimento di masse fluide e collasso di

pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

65

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

79

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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86

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  • Diapositiva numero 67
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  • Diapositiva numero 70
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  • Diapositiva numero 72
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pendii naturali

Anchorage Alaska 1964 -M=92

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

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Strutture fuori terra sprofondamento

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

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FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

79

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

86

  • Diapositiva numero 1
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

S Fernando California 1971- M=6666

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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali

Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando

67

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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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grazie per lrsquoattenzione

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Niigata 1964

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Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

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FEB 2011

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Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

per finirehellip

85

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

grazie per lrsquoattenzione

86

  • Diapositiva numero 1
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale

Kobe Japan 1995 - M=6968

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Galleggiamento di manufatti

Kobe Japan 1995 - M=69

S Francisco California 1906 - M=79

69

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

70

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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grazie per lrsquoattenzione

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  • Diapositiva numero 10
  • Diapositiva numero 11
  • Diapositiva numero 12
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(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

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FEB 2011

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Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

77

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

79

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

85

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grazie per lrsquoattenzione

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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni

Kocaeli Turkey 1999 - M=76

71

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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments

Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

74

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

76

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

81

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

82

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

83

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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grazie per lrsquoattenzione

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  • Diapositiva numero 80
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  • Diapositiva numero 85
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali

72

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Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

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(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

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Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

78

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

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Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018

Strutture fuori terra sprofondamento

Manufatti interrati galleggiamento73

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altafrequenza

bassafrequenza

la rigidezza si riduce moto di lungo periodo

(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti

(Kramer 2011)

Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione

Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione

Liquefazione al Wildlife array (CA USA)

(courtesy of G Lanzo)

75

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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)

(Zeghal et al 1986)

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

2011061380

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

Crateri e vulcanelli

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Fuoriuscite di acqua e sabbia

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

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Movimenti orizzontali (lateral spreading)

MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA

e per finirehellip84

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per finirehellip

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Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili

Niigata 1964

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Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

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SEP 2010

JUN 2011

FEB 2011

Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici

LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011

Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata

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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE

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Christchurch 2011

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Emilia Romagna 2012 - M=59

Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip

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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni

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METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni - Claudia MadiaiFirenze 24 Ottobre 2017

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