3 - 4 marzo 2015

Microzonazione sismica: Normative e casi studio

Floriana Pergalani

2015 Workshop Conoscenza e tecnologie appropriate per la sostenibilità e la resilienza

in urbanistica - Knowledge and Appropriate Technologies for Sustainability and Resilience in Planning

• Valutazione dei fattori di amplificazione e instabilità: • modificazioni del moto del suolo per effetti

geologici e geomorfologici • Individuazione delle zone che producono

amplificazioni e instabilità • Esperienze in passati terremoti • Catalogazione delle situazioni tipo e

valutazione degli effetti

Effetti locali

Tramite osservazione degli effetti prodotti da passati terremoti

EFFETTI DI INSTABILITA ’ EFFETTI DI SITO

EFFETTI DI INSTABILITA ’ EFFETTI DI SITO

Effetti locali

Effetti locali

Effetti locali

Effetti locali

Effetti locali

Effetti locali

Effetti locali

Effetti locali

Sigla SCENARIO PERICOLOSITA’ SISMICA LOCALE EFFETTI Z1a Zona caratterizzata da movimenti franosi attivi Z1b Zona caratterizzata da movimenti franosi quiescenti

Z1c Zona potenzialmente franosa o esposta a rischio di frana

Instabilità

Z2 Zone con terreni di fondazione particolarmente scadenti (riporti poco addensati, terreni granulari fini con falda superficiale)

Cedimenti e/o liquefazioni

Z3a Zona di ciglio H > 10 m (scarpata con parete subverticale, bordo di cava, nicchia di distacco, orlo di terrazzo fluviale o di natura antropica)

Z3b Zona di cresta rocciosa e/o cocuzzolo: appuntite - arrotondate

Amplificazioni topografiche

Z4a Zona di fondovalle con presenza di depositi alluvionali e/o fluvio-glaciali granulari e/o coesivi

Z4b Zona pedemontana di falda di detrito, conoide alluvionale e conoide deltizio-lacustre

Z4c Zona morenica con presenza di depositi granulari e/o coesivi (compresi le coltri loessiche)

Z4d Zone con presenza di argille residuali e terre rosse di origine eluvio-colluviale

Amplificazioni litologiche e geometriche

Z5 Zona di contatto stratigrafico e/o tettonico tra litotipi con caratteristiche fisico-meccaniche molto diverse

Comportamenti differenziali

Effetti locali

Effetti di instabilità • Movimenti franosi • Cedimenti, densificazioni, liquefazioni Terreni con comportamento INSTABILE nei

riguardi del sisma

Effetti di sito o di amplificazione sismica • Litologiche • Morfologiche Terreni con comportamento STABILE nei riguardi

del sisma

Effetti locali

Effetti di sito di tipo areale estesi su tutta l’area con modalità diverse Effetti di instabilità di tipo puntuale concentrati in piccoli areali

Comportamento non lineare descritto dall’evoluzione dei parametri G e D al crescere di γ

γl = soglia elastica o di linearità

(0.0001 – 0.01 %)

γv = soglia volumetrica (0.01 – 0.1 %)

a) Modello elastico lineare (se

D0=0) o visco-elastico (D0) b) Modello elastico lineare

equivalente (coppie G-D) c) Modello non lineare elasto-

plastico con incrudimento (accoppiamento deformazioni distorsionali e volumetriche)

Effetti locali

In funzione della scala di lavoro e dei risultati che si intende ottenere:

• Approccio qualitativo – Livello 1 (ICMS) • Approccio semiquantitativo – Livello 2 (ICMS) • Approccio quantitativo – Livello 3 (ICMS)

Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica

Due categorie:

– Amplificazioni – Instabilità

Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica

Livello 1 Studio propedeutico e obbligatorio per affrontare i successivi livelli di approfondimento

Indagini

• raccolta dei dati pregressi: rilievi geologici, geomorfologici, geologico-tecnici e sondaggi

Elaborazioni

• sintesi dei dati e delle cartografie disponibili

Prodotti

• carta delle indagini

• carta geologico tecnica e sezioni

• carta delle Microzone Omogenee in Prospettiva Sismica (MOPS), scala 1:5.000-1:10.000

• relazione illustrativa

Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica

Le microzone sono distinte in:

Zone stabili, senza effetti di modificazione del moto sismico rispetto ad un terreno rigido (Vs ≥800 m/s) e pianeggiante (pendenza < 15°)

Zone stabili suscettibili di amplificazioni locali: • amplificazioni litostratigrafiche per Vs<800 m/s e spessori >5 m • amplificazioni topografiche

Zone suscettibili di instabilità (instabilità di versante, liquefazioni, faglie attive e capaci, cedimenti differenziali)

Livello 1

Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica

Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica

Gli studi di MS1: • Forniscono indicazioni propedeutiche all’approfondimento degli

studi di MS per ciascuna microzona omogenea • Permettono di individuare quelle aree che non possono essere

analizzate con studi di MS2, in quanto caratterizzate da: • forme sepolte (amplificazioni 2D) • inversioni di velocità (rigido su soffice) • forte contrasto di impedenza e che devono quindi essere

analizzate direttamente con studi di MS3

Livello 1

Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica

Attraverso l’uso di specifiche tabelle e/o classificazioni si ricava il valore di un determinato parametro scelto come indicatore dell’amplificazione.

Alcuni esempi: “Manual for Zonation on Seismic Geotechnical Hazards”, redatto nel 1993 dal Comitato TC4 (Technical Committee n° 4 for Earthquake Geotechnical Engineering) della ISSMFE (lnternational Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering)

“Guidelines for seismic microzonation studies”, redatto nel 1995 dal Scientific and Technical Committee della AFPS (Association Francaise du Genie Parasismique - French Association for Earthquake Engineering) nell’ambito della “Delegation of Major Risks of the French Ministry of the Environment – Direction for Prevention, Pollution and Risks”

NEHRP Recommended provisions for seismic regulations for new buildings and other structures (FEMA 450) - Part 1: Provisions (Cap. 3) - 2003

Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance - Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings 1998-2003

Norme Tecniche per le costruzioni – DM 14/1/2008

Indirizzi e criteri per la microzonazione sismica – Conferenza delle Regioni e delle Provincie autonome – Dipartimento della Protezione Civile, Roma, 2008 Criteri ed indirizzi per la definizione della componente geologica, idrogeologica e sismica del PGT, in attuazione dell’art. 57 della L.R. 11 marzo 2005, n. 12 - ALLEGATO 5 DGR VIII/7374 (28-05-2008)

Abachi Regionali per gli studi di Livello 2 di Microzonazione Sismica ai sensi della DGR Lazio n. 545 del 26 novembre 2010

Approccio semiquantitativo

Norme Tecniche per le Costruzioni A19.a - VALUTAZIONE DELLA CATEGORIA DI SOTTOSUOLO Ss

A Ammassi rocciosi affioranti o terreni molto rigidi caratterizzati da valori di Vs30 superiori a 800 m/s, eventualmente comprendenti in superficie uno strato di alterazione, con spessore massimo pari a 3 m

Vs30 > 800 m/s 1.0

B

Rocce tenere e depositi di terreni a grana grossa molto addensati o terreni a grana fina molto consistenti con spessori superiori a 30 m, caratterizzati da un graduale miglioramento delle proprietà meccaniche con la profondità e da valori di Vs30 compresi tra 360 m/s e 800 m/s (ovvero NSPT30 > 50 nei terreni a grana grossa e cu30 > 250 kPa nei terreni a grana fina)

360 < Vs30 ≤ 800 m/s 1.0-1.2

C

Depositi di terreni a grana grossa mediamente addensati o terreni a grana fina mediamente consistenti con spessori superiori a 30 m, caratterizzati da un graduale miglioramento delle proprietà meccaniche con la profondità e da valori di Vs30 compresi tra 180 m/s e 360 m/s (ovvero 15 < NSPT30 < 50 nei terreni a grana grossa e 70 < cu30 < 250 kPa nei terreni a grana fina)

180 < Vs30 ≤ 360 m/s 1.0-1.5

D

Depositi di terreni a grana grossa scarsamente addensati o di terreni a grana fina scarsamente consistenti, con spessori superiori a 30 m, caratterizzati da un graduale miglioramento delle proprietà meccaniche con la profondità e da valori di Vs30 inferiori a 180 m/s (ovvero NSPT30 < 15 nei terreni a grana grossa e cu30 < 70 kPa nei terreni a grana fina)

Vs30 ≤ 180 m/s 0.9-1.8

E Terreni dei sottosuoli di tipo C o D per spessore non superiore a 20 m, posti sul substrato di riferimento (con Vs > 800 m/s)

180 < Vs30 ≤ 360 m/s Vs30 ≤ 180 m/s 1.0-1.6

S1 Depositi di terreni caratterizzati da valori di Vs30 inferiori a 100 m/s (ovvero 10 < cu30 < 20 kPa), che includono uno strato di almeno 8 m di terreni a grana fina di bassa consistenza, oppure che includono almeno 3 m di torba o di argille altamente organiche

Vs30 < 100 m/s Specifiche analisi

S2 Depositi di terreni suscettibili di liquefazione, di argille sensitive o qualsiasi altra categoria di sottosuolo non classificabile nei tipi precedenti

- Specifiche analisi

Norme Tecniche per le Costruzioni

A19.b - VALUTAZIONE DELLA CATEGORIA TOPOGRAFICA Inclinazione media (i) ST

T1 Superficie pianeggiante, pendii e rilievi isolati con inclinazione media i ≤ 15° i ≤ 15° 1,0

T2 Pendii con inclinazione media i > 15° i > 15° 1,2

T3 Rilievi con larghezza in cresta molto minore che alla base e inclinazione media 15° ≤ i ≤ 30° 15° ≤ i ≤ 30° 1,2

T4 Rilievi con larghezza in cresta molto minore che alla base e inclinazione media i > 30° i > 30° 1,4

Risolve le incertezze del livello 1 con approfondimenti

Fornisce quantificazioni numeriche degli effetti con metodi semplificati Indagini

• indagini geofisiche in foro (DH/CH), sismica a rifrazione, analisi con tecniche attive e passive per la stima delle Vs, microtremori ed eventi sismici

Elaborazioni

• correlazioni e confronti con i risultati del livello 1, revisione del modello geologico, abachi per i fattori di amplificazione

Prodotti • carta delle indagini • carta di Microzone Omogenee in Prospettiva Sismica (MOPS), scala

1:5.000-1:10.000 • relazione illustrativa

Livello 2

Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica

Carta di Microzone Omogenee in Prospettiva Sismica (MOPS), con metodi semplificati (livello 2)

Zone stabili e zone stabili suscettibili di amplificazioni locali, caratterizzate da fattori di amplificazione relativi a due periodi dello scuotimento (FA ed FV)

Zone di deformazione permanente, caratterizzate da parametri quantitativi (spostamenti e aree accumulo per frana, calcolo dell’indice del potenziale di liquefazione)

Livello 2

Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica

Rapporti di intensità spettrale (SI) calcolati per gli spettri elastici di risposta in accelerazione e velocità, 5% di smorzamento:

Fa = SIout / SIinp

Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica

Modello di sottosuolo di terreni omogenei a strati orizzontali, piani e paralleli, di estensione infinita, considerando 3 diversi gradienti di Vs con la profondità, su un bedrock sismico (Vs=800 m/s)

Livello 2

∫∫=Tai5.1

Tai5.0

Tao5.1

Tao5.0dT)T(SAi

Tai1

dT)T(SAoTao

1FA

∫∫=Tvi2.1

Tvi8.0

Tvo2.1

Tvo8.0dT)T(SVi

Tvi1

dT)T(SVoTvo4.01

FV

Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica

Le tabelle degli abachi sono ordinate per : • litotipo (ghiaia, sabbia, argilla) • tipo di profilo di Vs (costante, gradiente max, gradiente intermedio) • ag, accelerazione dell’evento di riferimento (0,06-0,18-0,26) Per trovare il valore di FA o FV devo conoscere: • ag, accelerazione dell’evento di riferimento (0,06-0,18-0,26) • litotipo prevalente della copertura • spessore della copertura • Vs media della copertura fino al raggiungimento del bedrock sismico

Livello 2

Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica

Livello 2

Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica

Parametri geometrici: altezza, larghezza, pendenza

CORRELAZIONE H/L - Fa 0.1-0.5 s

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2.0

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6H/L

Fa

CRESTE APPUNTITE L > 350 m CORRELAZIONE H/L - Fa 0.1-0.5 s

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2.0

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6H/L

Fa

CRESTE APPUNTITE250 m < L< 350 m

CORRELAZIONE H/L - Fa 0.1-0.5 s

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2.0

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6H/L

Fa

CRESTE APPUNTITE150 m < L< 250 m

CORRELAZIONE H/L - Fa 0.1-0.5 s

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2.0

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6H/L

Fa

CRESTE APPUNTITEL < 150 m

CORRELAZIONE H/L - Fa 0.1-0.5 s

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2.0

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6H/L

Fa

CRESTE ARROTONDATE

Classe altimetrica Classe di inclinazione Valore di Fa Area di influenza 10 m ≤ H ≤ 20 m 10° ≤ α ≤ 90° 1.1 Ai = H

20 m < H ≤ 40 m 10° ≤ α ≤ 90° 1.2 Ai = 43 H

10° ≤ α ≤ 20° 1.1 20° < α ≤ 40° 1.2 40° < α ≤ 60° 1.3 60° < α ≤ 70° 1.2

H > 40 m

α > 70° 1.1

Ai = 32 H

MORFOLOGIA (creste e ciglio di scarpata)

Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica

Il risultato che si ottiene con gli abachi non va bene nel caso di: • forme sepolte (amplificazioni 2D) • inversioni di velocità (rigido su soffice) • forte contrasto di impedenza

Gli abachi dovrebbero essere regionalizzati a partire da: • input sismici (studi di pericolosità di base) • modelli litologici • curve di decadimento del modulo di taglio (G) e di incremento del

rapporto di smorzamento smorzamento (D) con la deformazione, per ciascun litotipo

• profili di Vs • valori del Fattore di amplificazione FH calcolato come rapporto di

intensità spettrale sugli spettri di risposta in accelerazione di output ed input considerando i periodi tra 0.1-0.5 s

• confronto con valori di soglia comunali (SH) calcolati come gli FH derivanti dagli spettri delle NTC per le varie categorie di suolo ed eventuale prescrizione dell’applicazione del livello 3 se FH > SH

Livello 2

Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica

• Sono stati analizzati i Comuni che hanno subito un’intensità macrosismica pari o superiore al VII grado della scala MCS

• L’operazione ha visto il coinvolgimento di: 10 università: L’Aquila, Chieti-Pescara, Genova, Politecnico Torino, Politecnico

Milano, Firenze, Basilicata, Roma 1, Roma 3, Siena 7 istituti di ricerca: CNR, INGV, AGI, RELUIS, ISPRA, ENEA Frascati, OGS Trieste,

GFZ Postdam 3 Regioni e 2 Provincie: Lazio, Emilia-Romagna, Toscana, Provincia di Trento, Provincia di

Perugia Ordine dei Geologi della Regione Abruzzo Per un totale di circa 200 unità di personale

Applicazione – Area Aquilana

• Il coordinamento del gruppo di lavoro è affidato a Dipartimento

della Protezione Civile e alla Regione Abruzzo

• I lavori, iniziati all’inizio di maggio 2009, si sono conclusi il 30 settembre 2009, solo 6 mesi dopo l’evento

• Il costo dell’operazione è stata di circa 400.000 euro che hanno finanziato alcune indagini particolari

(tutte le Università, gli Enti di Ricerca, le Regioni e le Provincie

hanno contribuito quasi a costo zero)

Applicazione – Area Aquilana

AREA INVESTIGATA

Applicazione – Area Aquilana

PROCEDURA • Selezione delle aree più danneggiate; • Reperimento dei dati geologici, geomorfologici, geofisici e

geotecnici esistenti; • Rilievi geologici e geomorfologici a scala di dettaglio (1:5.000 o

1:2.000); • Nuove indagini geofisiche e geotecniche e definizione dei modelli

geofisici e geotecnici; • Definizione dell’input sismico per le analisi numeriche; • Calcolo delle amplificazioni attese attraverso modelli mono-

dimensionali (1D) e bidimensionali (2D); • Analisi sperimentali utilizzando sia registrazioni di terremoti sia

rumore ambientale; • Valutazione delle amplificazioni attese attraverso parametri quali

Fattori di amplificazione e spettri di risposta in accelerazione per ogni situazione analizzata utile in fase di pianificazione e di progettazione.

• Si presentano i risultati dell’area di Paganica-Tempera-Onna-San Gregorio localizzata tra l’epicentro del mainshock e la faglia sismogenetica

Applicazione – Area Aquilana

Carta geologico tecnica e geomorfologica

Nuove indagini:

7 ERT

3 MASW

13 ReMi

6 Sondaggi con DH

58 HVSR

Applicazione – Area Aquilana

SONDAGGI e DH

MASW

Applicazione – Area Aquilana

ERT

Applicazione – Area Aquilana

Carta livello 1 Colonne stratigrafiche

zone 1, 2, 3 sono stabili, zone 4 - 30 sono suscettibili di amplificazioni stratigrafiche; EFZ-A, EFZ-B sono affette da fratture/faglie cosismiche

Applicazione – Area Aquilana

Sezioni geologiche con l’indicazione dei punti di analisi

Applicazione – Area Aquilana

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 100 200 300 400 500 600 700 800Vs (m/s)

D (m

)

DH1

DH2

DH3

DH4

DH5

DH6

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 100 200 300 400 500 600 700 800Vs (m/s)

D (m

)

P1

P2

P3-P4

P5

P6

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 100 200 300 400 500 600 700 800Vs (m/s)

D (m

)

P7

P8

P9

P10

P11

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 100 200 300 400 500 600 700 800Vs (m/s)

D (m

)

P12

P13

P14

P15

P16

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 100 200 300 400 500 600 700 800Vs (m/s)

D (m

)

P17

P18

P19

P20

P21

Modelli 1D delle sequenze analizzate: profili di Vs con la profondità (27 punti: 6 punti corrispondono ai DH)

Modelli geotecnici e geofisici Applicazione – Area Aquilana

Risultati

Estrapolazione di FA ed FV, uso in fase di pianificazione per: Graduatoria di priorità ed esclusione per nuove edificazioni 2 mappe con 2 diversi periodi: FA per strutture più rigide; FV per strutture più flessibili

Applicazione – Area Aquilana

Due metodologie:

• Analisi numeriche

• Analisi sperimentali

Approccio quantitativo

Livello di approfondimento di zone suscettibili di amplificazioni o di instabilità, nei casi di situazioni geologiche e geotecniche complesse, non risolvibili con abachi o metodi semplificati

Può modificare sostanzialmente le carte di microzonazione di livello 2 (es. inversione di velocità) Indagini • campagne di acquisizione dati sismometrici, sondaggi, prove in foro e in superficie

per la determinazione di profili di Vs, sismica a rifrazione, prove geotecniche in situ e in laboratorio, microtremori, finalizzate alla definizione del modello del sottosuolo di riferimento

Elaborazioni • Definizione dell’input sismico • analisi numeriche 1D, 2D e 3D per le amplificazioni e/o analisi sperimentali Prodotti • carta delle indagini • carta di Microzone Omogenee in Prospettiva Sismica (MOPS), con approfondimenti e

relazione illustrativa

Livello 3

Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica

Zone di deformazione permanente

Zone stabili suscettibili di amplificazione caratterizzate da spettri di risposta in accelerazione al 5% dello smorzamento critico

Zone stabili

Livello 3

Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica

Dati e strumenti necessari:

• Moto sismico di riferimento (input sismico) • Stratigrafia del sottosuolo • Proprietà meccaniche dei materiali • Codici di calcolo

Analisi numerica

MOTO SISMICO DI RIFERIMENTO

• 5 registrazioni (ITACA, 2006);

• Caratteristiche sismogenetiche della sorgente;

• Coppia magnitudo-distanza dalla sorgente (da dati di disaggregazione prodotti dal Gruppo di Lavoro, 2004);

• Massima accelerazione orizzontale attesa (Gruppo di Lavoro, 2004);

• Registrazioni effettuate su bedrock sismico (sottosuolo di categoria A, NTC).

Le registrazioni scelte possono essere oggetto di scalatura, per ottenere un valore medio del picco di accelerazione scalato più vicino possibile al valore di amax atteso conformemente a quanto previsto dalle NTC.

Analisi numerica

Analisi numerica

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0T(s)

Sa (g

)

NZZ_NS*0.9 NZZ_WETRT_NS*2 TRT_WEPNR_NS*2 mediaNTC-Categoria di sottosuolo A

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Tempo (s)

Acc

eler

azio

ne (g

)

NZZ_NS*0.9

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0 5 10 15 20Tempo (s)

Acc

eler

azio

ne (g

)

PNR_NS*2

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Tempo (s)

Acc

eler

azio

ne (g

)

NZZ_WE

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0 5 10 15 20 25 30 35 40Tempo (s)

Acc

eler

azio

ne (g

)

TRT_NS*2

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0 5 10 15 20 25 30 35 40Tempo (s)

Acc

eler

azio

ne (g

)

TRT_WE

MOTO SISMICO DI RIFERIMENTO

CARATTERIZZAZIONE DELLE SITUAZIONI • Costruzione delle sezioni da modellare

• Reperimento dei parametri geotecnici e

geofisici necessari per la modellazione (velocità onde S, velocità onde P, modulo di taglio, coefficiente di Poisson, rapporto di smorzamento, densità, curve di decadimento)

Analisi numerica

MODELLAZIONE

• Scelta dei programmi di calcolo (monodimensionali, bidimensionali, ecc.)

• Scelta dei parametri che definiscono l’amplificazione (Pga, accelerogrammi, spettri di risposta, ecc.)

Analisi numerica

PROGRAMMI DI CALCOLO MONODIMENSIONALI Shake: modello a strati continui paralleli dominio frequenze lineare equivalente sforzi totali Desra - Onda: modello a masse concentrate non lineare sforzi efficaci

Analisi numerica

Modello a strati continui

Analisi numerica Modello a masse

concentrate

Analisi numerica

PROGRAMMI DI CALCOLO MONODIMENSIONALI Limiti:

modello a volte troppo semplicistico per alcune situazioni reali

Vantaggi: applicabilità su aree vaste (colonnine tipo) non necessita della conoscenza della geometria sepolta bidimensionale

PROGRAMMI DI CALCOLO BIDIMENSIONALI

Flac: differenze finite (DFM) varie leggi costitutive Quad - Flush: elementi finiti (FEM) modello a masse concentrate lineare equivalente dominio del tempo Besoil – Elco: elementi di contorno (DEM) elastico dominio delle frequenze Else: elementi spettrali (SM) elastico possibili versioni 3D Ahnse: metodo ibrido SM-FEM

Analisi numerica

Analisi numerica

260

270

280

290

300

310

320

330

340

350

0 50 100 150 200 250 300 350 400

FEM

BEM

Analisi numerica PROGRAMMI DI CALCOLO BIDIMENSIONALI

Limiti:

complessità nella costruzione del modello necessità di conoscenza delle caratteristiche geometriche sepolte (> indagini)

Vantaggi:

buona risposta possibilità di modellazione per casi particolari

RISULTATI

• Accelerogrammi in superficie

• Spettri risposta elastici e di Fourier in superficie

• Fattori di amplificazione (Fa) Rapporti di intensità spettrale (SI) calcolati per gli spettri in pseudovelocità, 5% di smorzamento, per diversi intervalli di periodo (es: 0.1-0.5s)

Fa = SIout / SIinp

Analisi numerica

Due metodologie:

• Analisi numeriche

• Analisi sperimentali

Approccio quantitativo

• Acquisizione di dati strumentali attraverso campagne di registrazione eseguite in sito usando velocimetri o accelerometri

• Registrazioni di rumore di fondo (microtremore di origine naturale o artificiale) o eventi sismici di magnitudo variabile; i dati acquisiti elaborati permettono di definire la direzionalità del segnale sismico e la geometria della zona sismogenetica-sorgente I metodi di analisi strumentale più diffusi ed utilizzati sono il metodo HVSR di Nakamura (1989) e il metodo dei rapporti spettrali HHSR di Kanai e Tanaka (1961)

Approccio quantitativo

METODO DI NAKAMURA - HVSR • Componente verticale del moto non risente di effetti di

amplificazione • Al bedrock il rapporto tra la componente verticale e

quella orizzontale è prossimo all’unità • Il rapporto tra la componente orizzontale e quella

verticale fornisce un fattore di amplificazione e il periodo proprio dei depositi

• In generale è necessario effettuare la media di quanti più eventi possibile; in questo modo si può inoltre valutare l'effetto di più sorgenti di rumore tra loro combinate, superando il problema di una loro eventuale accentuata localizzazione

Approccio quantitativo

METODO DEI RAPPORTI SPETTRALI - HHSR

• Basato su registrazioni accelerometriche, velocimetriche o di spostamento in corrispondenza di varie stazioni tra cui una considerata di riferimento (posta su bedrock)

• Il rapporto tra lo spettro di Fourier delle stazioni e lo spettro di Fourier del riferimento permette di calcolare le funzioni di trasferimento del deposito che, applicate al moto di input, forniscono il grado di amplificazione

Approccio quantitativo

HVSR Funzione ricevitore

HHSR Funzione di

trasferimento

Approccio quantitativo

HVSR - HHSR Limiti: Risposta solo in campo elastico Difficoltà nella scelta del sito di riferimento (HHSR) Tempi di acquisizione sufficientemente lunghi Vantaggi: Semplicità ed economicità (HVSR) Determinazione periodo proprio deposito (HVSR) Determinazione funzione di trasferimento (HHSR)

Approccio quantitativo

OBIETTIVI

• Microzonazione sismica di livello 3 utilizzando sia analisi numeriche sia analisi sperimentali del centro urbano;

• Rendere disponibili strumenti operativi per la pianificazione urbanistica, per la pianificazione delle emergenze per la protezione civile e per la progettazione.

Applicazione - Umbertide

ENTI COINVOLTI • Regione Umbria • Comune di Umbertide

ENTI DI RICERCA

• INOGS di Trieste • CNR-IDPA di Milano • Politecnico di Milano • Professionisti

Applicazione - Umbertide

FASI FONDAMENTALI DELLO STUDIO Rilevamento geologico di 5 sezioni (scala 1:10.000) Raccolta dati geologici, geomorfologici, geofisici e geotecnici sia esistenti sia da indagini in sito e in laboratorio effettuate nell’ambito del progetto Redazione di carte geologiche e di pericolosità sismica locale Costruzione del modello geologico-geofisico ed individuazione delle sezioni rappresentative Studio storico e d’archivio sul danneggiamento da terremoti della città di Umbertide

Applicazione - Umbertide

FASI FONDAMENTALI DELLO STUDIO

Individuazione dell’input sismico Modellazione numerica 2D e 1D e determinazione dei fattori di amplificazione e degli spettri di risposta elastici in accelerazione Analisi strumentale in punti significativi (Priolo et al., 2013) e confronto delle modellazioni numeriche e sperimentali Prime proposte per l’uso dei risultati sia in ambito pianificatorio sia in ambito progettuale.

Applicazione - Umbertide

RACCOLTA DATI

Indagini geologiche e geotecniche (110 sondaggi) Informazioni sul danneggiamento storico da terremoti (457 dati, eventi 1984 e 1997) Nuova campagna geognostica: • 13 sondaggi a carotaggio continuo con profondità di 30-

45 m ciascuno, con relativi Down Hole • 60 prove SPT • 83 siti con H/V, 20 siti H/H, 3 siti con MASW/Remi • prove di laboratorio statiche e dinamiche su 20

campioni indisturbati (proprietà fisiche, analisi granulometrica, prova edometrica, prova triassiale e colonna risonante)

Applicazione - Umbertide

Applicazione - Umbertide

1

2

3

4

5

Applicazione - Umbertide

MODELLO GEOLOGICO GEOFISICO

Denominazione unità geologica Denominazione unità geofisica

Sigla unità geofisica

Vs (m/s)

Vp (m/s)

γ (kN/mc)

alluvioni recenti unità limosa alluvionale b 300 1200 20,3

alluvioni terrazzate unità limo-ghiaiosa bn 340 1450 19,9 Sintema Citerna Subsintema Molin dell'Olio

unità limo-ghiaio-sabbiosa CTA1-2 (<40m) 480 1850 20,4

Sintema Citerna Subsintema Molin dell'Olio

unità limo-ghiaio-sabbiosa CTA1-2 (>40m) 540 2120 20,4

Sintema Citerna Subsintema Molin dell'Olio

unità limo-ghiaio-sabbiosa CTA1-2 alterato 200 1000 20,4

Sintema Citerna Subsintema M. Rotondo

unità conglomeratica

(40m) CTA2c 460 1970 19,9

Sintema di Fighille unità argillosa FGH 700 2300 20,5 Formazione Marnoso-arenacea umbra Membro C. Spertaglia

unità pelitico arenacea MUM1 480 1850 20,4

-------------------------- unità torbiditica

alterata TA 540 2120 21

Scaglia Toscana Membro c. Dudda litofacies di Montanare

unità calcareo-argillitica fratturata

STO4a 460 1740 20,9

-------------------------- substrato rigido ----------------- 800 2400 22

Applicazione - Umbertide

SEZIONI GEOLOGICHE - GEOFISICHE Applicazione - Umbertide

MODELLI NUMERICI FEM

Applicazione - Umbertide

INPUT SISMICO

Come previsto dalle Norme Tecniche per le Costruzioni (D.M. 14/01/08):

5 accelerogrammi registrati su suolo di categoria A

Compatibili con le caratteristiche sismogenetiche dell’area (distensivo)

Compatibili con valore di amax atteso (GdL, 2004) (0.222g)

Compatibili con coppia magnitudo-distanza da analisi di disaggregazione (Mw 4.5-5.0; D 0-10Km)

Spettro-compatibilità

Database ITACA (2010)

Sigla Lat (°)

Long (°)

Distanza epicentrale (km) Evento Stazione Comp. Litologia

Pga (g)

SC

CSC 42.719 13.013 9.3 VAL NERINA Cascia W-E Roccia 0.203 1.4

PTL 43.427 12.449 26.1 GUBBIO Pietralunga W-E Roccia - 0.177 1.3

ASS 43.075 12.604 24.1 UMBRIA-MARCHE

1° SHOCK Assisi N-S Roccia 0.155 1.3

ASS 43.075 12.604 21.4 UMBRIA-MARCHE

2° SHOCK Assisi W-E Roccia 0.188 1.3

BSC 41.010 15.376 28.0 IRPINIA Bisaccia NS Roccia 0.096 2.3

Applicazione - Umbertide

INPUT SISMICO

Applicazione - Umbertide

INPUT SISMICO

-0.30

-0.20

-0.10

0.00

0.10

0.20

0.30

0 5 10 15 20 25 30

Acc

eler

azio

ne (g

)

Tempo (s)

VALNERINA_CSC_WE x 1.4

-0.30

-0.20

-0.10

0.00

0.10

0.20

0.30

0 5 10 15 20 25 30

Acc

eler

azio

ne (g

)

Tempo (s)

GUBBIO_PTL_WE x 1.3

-0.30

-0.20

-0.10

0.00

0.10

0.20

0.30

0 5 10 15 20 25 30

Acc

eler

azio

ne (g

)

Tempo (s)

UM1°_ASS_NS x 1.3

-0.30

-0.20

-0.10

0.00

0.10

0.20

0.30

0 5 10 15 20 25 30

Acc

eler

azio

ne (g

)

Tempo (s)

UM2°_ASS_WE x 1.3

-0.30

-0.20

-0.10

0.00

0.10

0.20

0.30

0 5 10 15 20 25 30 35

Acc

eler

azio

ne (g

)

Tempo (s)

IRPINIA_BSC_NS x 2.3

Applicazione - Umbertide

INPUT SISMICO

Sigla registrazione Fattore di scala pga pgv pgd si si05 si15 a.i. d90 Pd90 dt Pdf

g cm/s cm cm cm cm cm/s s cms s cms

VALNERINA_CSC_WE 1.4 0.28 -19.73 2.83 51.00 5.85 26.95 33.50 4.28 0.131 14.00 0.186

GUBBIO_PTL_WE 1.3 -0.23 10.35 1.02 27.58 6.28 14.90 20.98 4.98 0.189 26.10 0.368

UM1_ASS_NS 1.3 0.20 7.74 -0.37 13.19 6.67 4.36 19.03 3.58 0.152 25.60 0.210

UM2_ASS_WE 1.3 0.24 -13.29 -1.06 29.90 10.91 13.16 39.61 4.14 0.597 29.42 0.511

IRPINIA_BSC_NS 2.3 -0.22 49.32 26.78 169.58 9.03 51.67 98.34 24.32 6.919 38.00 6.146

Applicazione - Umbertide

CODICI DI CALCOLO

In relazione alle caratteristiche morfologiche, geologiche, geotecniche e geofisiche dell’area in esame, che presentano un andamento tipico di valle, è stato scelto di utilizzare un codice di calcolo bidimensionale nato dalla revisione del programma QUAD4M (Hudson et al., 1993); esso permette di modellare qualsiasi sezione caratterizzata da diversi materiali con qualsiasi andamento geometrico.

Applicazione - Umbertide

RISULTATI

Nei punti di indagine, riportati nelle sezioni, scelti in modo da avere una rappresentatività dei profili caratterizzati da diverse sequenze di unità geofisiche e diversi spessori. I risultati sono stati espressi in termini: Fattori di amplificazione Fa (0.1-0.5s; 0.5-1.5s; 0.1-2.5s) Spettri di risposta elastici in accelerazione al 5% dello smorzamento critico

Applicazione - Umbertide

RISULTATI SEZ. 1

Applicazione - Umbertide

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 0.5 1 1.5 2 2.5

PSA

(g)

T (s)

1 2 3 4 12 CAT. B

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 0.5 1 1.5 2 2.5

PSA

(g)

T (s)

5 6 7 8 9 10 11 CAT. C

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 0.5 1 1.5 2 2.5

PSA

(g)

T (s)

1 2 3 4 5 6 7 8 CAT. B

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 0.5 1 1.5 2 2.5

PSA

(g)

T (s)

9 10 11 12 13 14 15 16 CAT. B

SEZ. 1

SEZ. 2

Applicazione - Umbertide

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 0.5 1 1.5 2 2.5

PSA

(g)

T (s)

1 2 3 4 5 6 7 CAT. B

SEZ. 3

Applicazione - Umbertide

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

0 0.5 1 1.5 2 2.5

PSA

(g)

T (s)

1 2 3 4 CAT E

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

0 0.5 1 1.5 2 2.5

PSA

(g)

T (s)

5 6 7 8 9 10 11 CAT. B

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

0 0.5 1 1.5 2 2.5

PSA

(g)

T (s)

12 13 14 15 16 17 18 CAT. B

SEZ. 4

Applicazione - Umbertide

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0 0.5 1 1.5 2 2.5

PSA

(g)

T (s)

1 2 3 4 CAT B

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0 0.5 1 1.5 2 2.5

PSA

(g)

T (s)

5 6 7 8 CAT. B

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0 0.5 1 1.5 2 2.5

PSA

(g)

T (s)

15 16 17 18 19 20 CAT. B

SEZ. 5

Applicazione - Umbertide

RISULTATI

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 0.5 1 1.5 2 2.5

PSA

(g)

T (s)

8 shake P8 CAT. BPer completare l’indagine numerica, in alcuni punti delle sezioni, è stata condotta un’analisi monodimensionale applicando il codice di calcolo SHAKE91 modificato (Idriss I.M. e Sun J.I., 1992). L’analisi ed i confronti hanno mostrato come l’influenza della geometria delle valli porta, in alcuni casi in modo evidente ed in particolare in presenza di valle larga e profonda, ad una diminuzione ed un filtraggio dei valori delle ordinate spettrali nei bassi periodi ed ad un conseguente aumento dei valori delle ordinate spettrali negli alti periodi. Per il sito di Umbertide, quindi, un’analisi monodimensionale non sarebbe stata esaustiva in quanto l’effetto geometrico risulta preponderante.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 0.5 1 1.5 2 2.5

PSA

(g)

T (s)

10 shake P10 CAT B

SEZ. 4

SEZ. 3

Applicazione - Umbertide

Due metodologie:

• Analisi numeriche

• Analisi sperimentali

Applicazione - Umbertide

ANALISI SPERIMENTALI – OGS Trieste Metodo dei rapporti spettrali

20 siti di cui 3 di riferimento su substrato rigido

Sensori a 3 componenti Lennartz 3D-lite 1 s

Registrazioni marzo 2012-febbraio 2013

METODOLOGIA:

Calcolo rapporti spettrali

Funzione di amplificazione

Calcolo di Fa e spettri di risposta ai siti utilizzando input sismici della modellazione numerica

Applicazione - Umbertide

UBICAZIONE SITI REGISTRAZIONI

Applicazione - Umbertide

RAPPORTI SPETTRALI

Applicazione - Umbertide

RISULTATI

Applicazione - Umbertide

CONFRONTO RISULTATI I risultati ottenuti dalle analisi numeriche stati confrontati con quelli ottenuti dalla campagna strumentale: sono in generale tra loro concordi sia in termini di Fa sia in termini di spettri di risposta (sezione 1, sezione 3)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 0.5 1 1.5 2 2.5

PSA

(g)

T (s)

3 CAT. B

Applicazione - Umbertide

Considerando la robustezza dei risultati ottenuti si prevede: • per i valori di Fa un utilizzo in fase di pianificazione per definire

una graduatoria di pericolosità delle aree, previa estrapolazione geologica e geofisica e relativa redazione di opportune carte

• per gli spettri di risposta elastici un utilizzo diretto in fase di progettazione oppure un utilizzo indiretto per l’ottimizzazione della scelta dello spettro di norma che meglio rappresenta la situazione analizzata

Applicazione - Umbertide UTILIZZO DEI RISULTATI

UTILIZZO DEI RISULTATI

In particolare: 1. pianificazione area vasta ed emergenza: carte di pericolosità

sismica locale alla scala 1:10.000 contenenti di fatto l’individuazione delle zone suscettibili di amplificazione e delle zone suscettibili di instabilità;

2. pianificazione urbanistica comunale di tipo operativo-attuativo e scenari di danno per l’emergenza: carte delle zone a comportamento sismico omogeneo alla scala almeno 1:10.000 con informazioni sulla consistenza delle amplificazioni;

3. politiche di riduzione del rischio sismico, progettazione su edifici esistenti e di nuova costruzione: carte con l’individuazione e l’assegnazione degli spettri di risposta sismica, direttamente o dopo aver accertato che nell’area ricorrono le stesse condizioni geologico-geofisiche individuate.

Applicazione - Umbertide

Applicazione - Umbertide

Procedura