metodi di analisi quantitativa della risposta sismica ... · capostipite dei programmi...

Metodi di analisi quantitativa Metodi di analisi quantitativa della risposta sismica locale: della risposta sismica locale:

livello 3 di "Indirizzi e Criteri per la livello 3 di "Indirizzi e Criteri per la microzonazionemicrozonazione

sismica 2008"sismica 2008"

Casi studioCasi studio

Floriana Floriana PergalaniPergalaniPolitecnico di Milano Politecnico di Milano ––

Dipartimento di Ingegneria StrutturaleDipartimento di Ingegneria Strutturale

STUDI DI

MICROZONAZIONE

SISMICA: TEORIA E APPLICAZIONIAosta, 18 -19

ottobre 2011

Sigla SCENARIO PERICOLOSITA’ SISMICA LOCALE EFFETTIZ1a 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 localiEffetti locali

Effetti di instabilità• Movimenti franosi• Cedimenti, densificazioni, liquefazioniTerreni con comportamento INSTABILE

nei

riguardi del sisma

Effetti di sito o di amplificazione sismica• Litologiche• MorfologicheTerreni con comportamento STABILE nei riguardi del sisma


Effetti di sito di tipo areale estesi su tutta l’area con modalità

diverseEffetti di instabilità

di tipo puntuale concentrati in piccoli areali

Comportamento non lineare descritto dall’evoluzione dei parametri G e D

al crescere di

l = soglia elastica o di linearità (0.0001 –

0.01 %)

v

= 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)


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)


Due metodologieDue metodologie:

• Analisi numeriche

• Analisi sperimentali

Approccio quantitativoApproccio 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 microzonazione

sismica con approfondimenti e relazione illustrativa

Livello 3

Indirizzi e Criteri per la Indirizzi e Criteri per la MicrozonazioneMicrozonazione

SismicaSismica

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


SismicaSismica

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0 0.5 1 1.5 2 2.5Periodo (s)

PSV

(m/s

)

∫5.0

1.05.01.0 )dT(T, PSVoutput)( PSVoutputSI

∫5.0

1.05.01.0 )dT,PSVinput(T)( PSVinputSI 5.01.0Fa


SismicaSismica

Psa

(g)

0.2 1.40.4 0.80.6 1.0 1.2

0.2

0.1

0.3

0.5

0.4

T

(s)Oscillatore

elementare ad 1 grado di libertà

Equazione del moto: x’’+x’+x=-a(t)

x=spostamento spettralex’=velocità

spettralex’’=accelerazione spettrale

=b/2m fattore di smorzamento=k/m pulsazione naturale oscillatore=2f ove f frequenza propriaMassa m Coefficiente

smorzamento b

Costante elastica k

Applicando l’accelerogramma di input ad oscillatori con n assegnato

(convenzionalmente 0.05 o 5%) e T variabile e riportando il valore massimo di x, x’

o x’’

si ottengono gli spettri in spostamento, in velocità

e in accelerazione


SismicaSismica

SPETTRO DI FOURIER


SismicaSismica

•

Spettro di ampiezza Ai

•

Spettro di fase i

•

Spettro di potenza Ai2

SPETTRO DI FOURIER


SismicaSismica

Dati e strumenti necessariDati e strumenti necessari:

• Moto sismico di riferimento (input sismico)

• Stratigrafia del sottosuolo

• Proprietà

meccaniche dei materiali

• Codici di calcolo

Analisi numericaAnalisi numerica

MOTO SISMICO MOTO SISMICO DIDI

RIFERIMENTORIFERIMENTO• 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.



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 MOTO SISMICO DIDI

RIFERIMENTORIFERIMENTO

CARATTERIZZAZIONE DELLE SITUAZIONICARATTERIZZAZIONE 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)


MODELLAZIONEMODELLAZIONE

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

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


PROGRAMMI DI CALCOLO MONODIMENSIONALIPROGRAMMI DI CALCOLO MONODIMENSIONALI

Shake:

modello a strati continui parallelidominio frequenze lineare equivalentesforzi totali

Desra

-

Onda:

modello a masse concentratenon linearesforzi efficaci


Modello a strati continui

Analisi numericaAnalisi numericaModello a masse

concentrate


PROGRAMMI DI CALCOLO MONODIMENSIONALIPROGRAMMI 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

Codice di calcolo SHAKECodice di calcolo SHAKEAlgoritmo di calcolo più

semplice per analisi di RSL

frequentemente adottato nel settore tecnico-professionaleMonodimensionale –

Strati continui paralleli

SHAKE: “A computer program for

earthquake

response

analysis

of horizontally

layered

sites”Report n. EERC 72-12 Dicembre 1972 (B. Schnabel

–

J. Lysmer

–

H. Bolton

Seed

Berkeley

California)Compilato in FORTRAN IV (o FORTRAN 66)

SHAKE91: “A computer program for

conducting

equivalent

linear

seismic

response

analyses

of

horizontally

layered

soils

deposits”

1992 (J. Idriss

e J. I. Sun

Davis California)Compilato in FORTRAN 90

Miglioramenti nella struttura dei dati di input, maggiore elasticità

e potenzialità

di calcolo

Introduzione di nuove relazioni G/G0 e D in funzione di

Negli ultimi 15 anni sono state sviluppate numerose versioni che

lavorano in ambiente Windows e che utilizzano l’algoritmo SHAKE91 implementato in pre-

processing

e post-processing per fornire diverse applicazioni di utilizzo comune. Tra i più

noti si ricordano:

WSHAKE -

PROSHAKE –

EERA –

SHAKEM e PSHAKE -

SHAKE2000

Tipo

: MonodimensionaleDiscretizzazione

: A strati continui

Modello terreno

: Visco-elastico

lineareAnalisi

: Sforzi totali

Implementazione non linearità

: Equivalente lineareTipo di soluzione

: Funzione trasferimento

Dominio di analisi

: FrequenzeTipo di frontiera basale

: Assorbente -

deformabile

Codice di calcolo SHAKECodice di calcolo SHAKECapostipite dei programmi monodimensionali di analisi del comportamento sismico del terreno -

adotta una serie

di scelte di modellazione poi riprese in altri codici numerici

MONODIMENSIONALE (metodo della trave a taglio)Terreno soggetto solo ad oscillazione orizzontale e deformazioni

di

taglio puro trascurando le dimensioni trasversali

Codice di calcolo SHAKECodice di calcolo SHAKE

CAMPO DI APPLICAZIONESituazioni piano-parallele ad uno o più

strati ipotizzando lateralmente

omogenea la stratigrafia presente ai lati della verticale di analisiEsempio di situazioni riconducibili ad uno schema monodimensionale:aree centrali di estese valli alluvionali superficiali

FENOMENI CONSIDERATIAmplificazione del moto sismico per effetto litologico:INTRAPPOLAMENTO di onde S all’interno del deposito, favorito dal

contrasto di impedenza fra terreno e bedrock sismicoRISONANZA determinata dalla prossimità

tra le frequenze del moto al

bedrock sismico e quelle naturali di vibrazione del deposito

MODELLO A STRATI CONTINUITiene in conto l’eterogeneità

verticale del terreno in considerazione del

fatto che l’ipotesi ad unico strato omogeneo equivalente (per cui esistono soluzioni analitiche in forma chiusa) sottostima notevolmente gli effetti di amplificazione del moto sismico


MEZZO CONTINUO MULTISTRATO (ricostruito dal modello geologico

geotecnico e geofisico)

Soluzione per ciascun strato i dell’equazione differenziale di equilibrio dinamico della propagazione delle onde

ECCITAZIONE SISMICA(applicata verticalmente alla base ed espressa in storia temporale dell’accelerazione)

+

u (z,t) = spostamento orizzontale = densità= coefficiente di viscositàG = modulo di taglio z = coordinata locale (0 ≤

z ≤

h)

h = spessore

Codice di calcolo SHAKECodice di calcolo SHAKEFRONTIERA ASSORBENTE O DEFORMABILEFRONTIERA ASSORBENTE O DEFORMABILE

Si introducono i parametri del substrato (r

– Vsr

) in modo da evitare l’intrappolamento nel modello delle onde riflesse verso il basso Con la frontiera deformabile parte dell’energia dell’onda riflessa incidente sulla base viene assorbita (per smorzamento di radiazione) Viene definito il rapporto tra l’impedenza sismica della roccia e quella del terreno sovrastante:

sss

srr

VV

I

Codice di calcolo SHAKECodice di calcolo SHAKEFUNZIONE DI TRASFERIMENTOFUNZIONE DI TRASFERIMENTO

In funzione delle condizioni al contorno imposte all’interfaccia di ciascun strato:Condizione di continuità: lo spostamento e le tensioni tangenziali al tetto dello strato i

sono uguali a quelli della

base dello strato i+1Condizione di superficie libera: al tetto dello strato più

superficiale la tensione tangenziale è

nulla (onda incidente e riflessa di pari ampiezza)

Hik

()

Funzione di trasferimento tra due livelli i

e kA

ampiezza onde che si propagano verso l’alto

B

ampiezza onde che si propagano verso il basso

ii

kkik BA

BAH

)(

Codice di calcolo SHAKECodice di calcolo SHAKEDOMINIO DELLE FREQUENZEDOMINIO DELLE FREQUENZE

OPERAZIONE DI CONVOLUZIONE (prodotto frequenza per frequenza)Fs

() = H () * Fb

()Fs

()

Spettro di Fourier del moto in superficieH ()

Funzione di trasferimento

Fb

()

Spettro di Fourier del moto alla base

Dallo spettro di Fourier, utilizzando la trasformata inversa di Fourier, si ottiene il moto alla superficie in termini di storia temporale dell’accelerazione

Codice di calcolo SHAKECodice di calcolo SHAKESCHEMA RIASSUNTIVOSCHEMA RIASSUNTIVO

Parametri fondamentali necessariParametri fondamentali necessariMODELLO

• Stratigrafia del sottosuolo, spessore di ciascun strato omogeneo di terreno e profondità

del bedrock

sismico (Vs>800 m/s)

• Densità

di ciascun strato e del bedrock sismico

• Modulo di taglio elastico iniziale G0

o valore della velocità

delle onde S

• Rapporto di smorzamento

iniziale D0

Curve di correlazione G-

e D- cioè

leggi di variazione del

modulo di taglio e del rapporto di smorzamento con la deformazione tangenziale

+


+ECCITAZIONE SISMICA applicata verticalmente alla base ed espressa in storia temporale dell’accelerazione

PROGRAMMI DI CALCOLO BIDIMENSIONALIPROGRAMMI DI CALCOLO BIDIMENSIONALIFlac:

differenze finite (DFM)varie leggi costitutive

Quad

-

Flush:

elementi finiti (FEM)modello a masse concentratelineare equivalentedominio del tempo

Besoil

–

Elco:

elementi di contorno (DEM)elasticodominio delle frequenze

Else:

elementi spettrali (SM)elasticopossibili versioni 3D

Ahnse: metodo ibrido SM-FEM



260

270

280

290

300

310

320

330

340

350

0 50 100 150 200 250 300 350 400

FEM

BEM

Analisi numericaAnalisi numericaPROGRAMMI DI CALCOLO BIDIMENSIONALIPROGRAMMI DI CALCOLO BIDIMENSIONALI

Limiti:complessità

nella costruzione del modello

necessità

di conoscenza delle caratteristichegeometriche sepolte (> indagini)

Vantaggi:buona rispostapossibilità

di modellazione per casi particolari

Codice di calcolo QUAD4MCodice di calcolo QUAD4MAlgoritmo di calcolo più

complesso per analisi di RSL non

frequentemente adottato nel settore tecnico-professionale Bidimensionale –

Elementi finiti

QUAD4 -

A computer program

for

evaluating

the seismic

response

of

soil

structures

by

variable

damping

finite element

procedures, UCB EERC Report No 73-16, 1973 (Idriss

I.M., Lysmer

J., Hwang

R. & Seed

H.B.)Compilato in FORTRAN IV (o FORTRAN 66)

QUAD4M, A computer program for evaluating the seismic response of soil structure by variable damping finite element procedures. Report of Dip. of Civil & Environmental Eng., University of California, Davis, 1993 (Hudson M.B., Idriss

I.M., Beikae

M.

)Compilato in FORTRAN V

Miglioramenti nella struttura dei dati di input, maggiore elasticità

e potenzialità

di calcolo

Introduzione di nuove relazioni G/G0

e D in funzione di Implementazione della frontiera inferiore di tipo assorbente/deformabile, introducendo smorzatori viscosi

Negli ultimi anni sono state sviluppate altre versioni che lavorano in ambiente Windows e che utilizzano l’algoritmo di QUAD4M. Tra i più

noti si ricordano: Q4MESH, QUAKE/W

Tipo

: BidimensionaleDiscretizzazione

: A masse concentrate

Modello terreno

: Visco-elastico

lineareAnalisi

: Sforzi totali

Implementazione non linearità

: Equivalente lineareTipo di soluzione

: Derivazione numerica (u)

Dominio di analisi

: TempoTipo di frontiera basale

: Assorbente -

deformabile

Capostipite dei programmi bidimensionali di analisi del comportamento sismico del terreno -

adotta una serie di

scelte di modellazione poi riprese in altri codici numerici

Codice di calcolo QUAD4MCodice di calcolo QUAD4M

BIDIMENSIONALE Terreno discretizzato

attraverso una FEM per cogliere le variazioni

laterali geometriche e meccaniche

CAMPO DI APPLICAZIONESituazioni di bacini sedimentari ad uno o più

strati

Valli limitate lateralmente da affioramenti di bedrock sismico, per limitare l’influenza degli effetti di bordo

FENOMENI CONSIDERATIAmplificazione del moto sismico per effetto litologico:INTRAPPOLAMENTO di onde S all’interno del deposito, favorito dal

contrasto di impedenza fra terreno e bedrock sismicoRISONANZA determinata dalla prossimità

tra le frequenze del moto al

bedrock sismico e quelle naturali di vibrazione del depositoGEOMETRIA rapporti geometrici complessi tra vari corpi sedimentari


MODELLO A MASSE CONCENTRATETiene in conto l’eterogeneità

verticale del terreno in considerazione del

fatto che l’ipotesi ad unico strato omogeneo equivalente (per cui esistono soluzioni analitiche in forma chiusa) sottostima notevolmente gli effetti di amplificazione del moto sismico

MEZZO DISCRETO MULTISTRATO (ricostruito dal modello geologico

geotecnico e geofisico)

Soluzione per ciascuna massa mi

dell’equazione differenziale di equilibrio dinamico della propagazione delle onde; massa concentrata in corrispondenza dei nodi degli elementi

ECCITAZIONE SISMICA(applicata verticalmente alla base ed espressa in storia temporale dell’accelerazione)

+

u (z,t) = spostamento orizzontale = densità= coefficiente di viscositàG = modulo di taglio h = spessoreMatrici: M, C, K


MODELLO VISCO-ELASTICO LINEARE (Kelvin -

Voigt) Tiene conto dei fenomeni di dissipazione per smorzamento interno

[M] (d2u/dt2) + [C] (du/dt) + [K] (u) = (J) a(t)

[M] =

m1

m2

…..

mn+1

[C] =

c1

-c1

-c1 c1

+c2

-c2

…..

-cn

cn

+cn+1

[K] =

k1

-k1

-k1 k1

+k2

-k2

…..

-kn

kn

(J) è

il vettore delle sollecitazioni esterne a(t)

La matrice C

non è

di facile soluzione, si utilizza il criterio di Rayleigh legandola alle matrici M e K

Integrazione diretta per via numerica passo-passo dell’equazione del moto


NON LINEARITA’

MATERIALITramite una serie di analisi elastiche lineari si riaggiornano

i

parametri G

e

D

in funzione del livello di deformazione efficace (eff

) raggiunto in ogni ciclo fino alla convergenza (tolleranze)eff

= 0.65 max

max

è

la sollecitazione massima raggiunta nei nodi della mesh

durante l’evento sismico

Importanza delle curve G/ e D/


FRONTIERA ASSORBENTE O DEFORMABILE

Si introducono i parametri del bedrock sismico (r

–

Vsr

- Vpr

) in modo da evitare l’intrappolamento nel modello delle onde riflesse verso la frontieraCon la frontiera deformabile parte dell’energia dell’onda riflessa incidente sulla base viene assorbita (per smorzamento di radiazione) attraverso l’introduzione di uno smorzatore viscoso con coefficiente cn+1

pari all’impedenza del bedrock sismico r

Vr


Parametri fondamentali necessariParametri fondamentali necessariMODELLO

• Stratigrafia del sottosuolo, spessore di ciascun strato omogeneo di terreno e profondità

del bedrock

sismico (Vs>800 m/s) • Discretizzazione

in una

mesh

FEM• Densità • Coefficiente di Poisson

()

• Modulo di taglio elastico iniziale G0

• Valore della velocità

delle onde S

e P

del bedrock

sismico• Rapporto di smorzamento

iniziale D0

Curve di correlazione G-

e D- cioè

leggi di variazione del

modulo di taglio e del rapporto di smorzamento con la deformazione tangenziale

+

+ECCITAZIONE SISMICA applicata verticalmente alla base ed espressa in storia temporale dell’accelerazione

REGOLA DI

DISCRETIZZAZIONEhmax

= Vs / (6÷8)fmax

Lmax

= 10hmax


Codice di calcolo ELCOCodice di calcolo ELCO

Algoritmo di calcolo più

complesso per analisi di RSL non frequentemente adottato nel settore tecnico-professionale Elementi di contorno

ELCO, A program for two-dimensional analyses using boundary

element method. Rapporto Tecnico, IRRS, Milano. Callerio

A., Petrini

V., Pergalani

F., 2000Compilato in FORTRAN VI

Tipo

: BidimensionaleDiscretizzazione

: Elementi di contorno

Modello terreno

: ElasticoAnalisi

: Sforzi totali

Tipo di soluzione

: Funzioni di GreenDominio di analisi

: Frequenze

Programma bidimensionali di analisi del comportamento sismico del terreno -

adotta una serie di scelte di

modellazione


BIDIMENSIONALE Terreno discretizzato

attraverso un BEM per cogliere le variazioni

laterali geometriche e morfologiche della superficie topografica

CAMPO DI APPLICAZIONESituazioni di creste o scarpate caratterizzate da affioramenti di bedrock sismico, quindi a comportamento elastico sotto sollecitazione sismica

FENOMENI CONSIDERATIAmplificazione del moto sismico per effetto morfologico:FOCALIZZAZIONE delle onde sismiche che si genera solo quando la

lunghezza dell’onda incidente λ

è

comparabile con la semilarghezza L della base dell’irregolarità


MODELLO A ELEMENTI DI

CONTORNOL’entità

dei fenomeni di amplificazione in sommità

è

direttamente correlata al

fattore di forma del rilievo (H/L), mentre lungo i fianchi l’interazione tra onde incidenti ed onde diffratte

produce variazioni in ampiezza e frequenza delle

onde sismiche, generando fenomeni di amplificazione ed attenuazione

MEZZO OMOGENEO(ricostruito dalla topografia)

La soluzione è

la funzione di Green Il contorno viene discretizzato

in

segmenti rettilineiConsidera una sola discontinuità

rappresentata dall’interfaccia mezzo- aria

e considera un mezzo

omogeneo, continuo, elastico

ECCITAZIONE SISMICA(applicata alla base ed espressa in storia temporale dell’accelerazione)+

= densitàVs

= velocità

delle onde S

x, y = coordinate della superficie topografica


RISULTATIRISULTATI

• 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


Due metodologie:

• Analisi numeriche

• Analisi sperimentali


•

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)


METODO DI NAKAMURA METODO DI NAKAMURA --

HVSRHVSR• 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


METODO DI NAKAMURA METODO DI NAKAMURA ––

HVSRHVSRDefinendo come HS

e VS

gli spettri di Fourier delle componenti

orizzontali e verticali del moto misurato in superficie, come HB

e VBquelle misurate su bedrock

e AS

e AB

la componente della sorgente locale si ottiene:

RV

= VS

/ VB

= AS

/ AB

RH

= HS

/ HB

= [AS

SS

] / AB

RH

/ RV

= SS

= [HS

VB

] / [HB

VS

]

VB

/ HB

= 1

SS

= HS

/ VS


METODO DEI RAPPORTI SPETTRALI METODO DEI RAPPORTI SPETTRALI --

HHSRHHSR

• 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


Il metodo si articola nelle seguenti fasi– lettura degli arrivi primari delle onde S

– calcolo degli spettri di Fourier

– lisciamento degli spettri

– calcolo dei rapporti spettrali (FUNZIONE DI

TRASFERIMENTO DEL SITO) ottenuti calcolando il

rapporto per ogni frequenza tra lo spettro di ciascun

sito e lo spettro del sito di riferimento


HVSR Funzione ricevitore

HHSR Funzione di

trasferimento


HVSR HVSR --

HHSRHHSRLimiti: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)


OBIETTIVIOBIETTIVI

• 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 Applicazione -- PerugiaPerugia

ENTI COINVOLTIENTI COINVOLTI• Regione Umbria• Comune di Perugia

ENTI ENTI DIDI

RICERCARICERCA• INOGS di Trieste• CNR-IDPA di Milano• Politecnico di Milano• Dipartimento Scienze della Terra di Pisa


FASI FONDAMENTALI DELLO STUDIOFASI FONDAMENTALI DELLO STUDIORilevamento geologico di 4 sezioni (scala 1:10.000)

Redazione di carte geologiche e di pericolosità

sismica locale

Raccolta dati geologici, geomorfologici, geofisici e geotecnici sia esistenti sia da indagini in sito e in laboratorio effettuate nell’ambito del progetto

Studio storico e d’archivio sul danneggiamento da terremoti della città

di Perugia

Costruzione del modello geologico-geofisico

ed individuazione delle sezioni rappresentative


FASI FONDAMENTALI DELLO STUDIOFASI FONDAMENTALI DELLO STUDIOIndividuazione dell’input sismico

Modellazione numerica 1D e 2D e determinazione dei fattori di amplificazione e degli spettri di risposta elastici in accelerazione

Analisi strumentale in punti significativi e determinazione dei fattori di amplificazione e degli spettri di risposta elastici in accelerazione

Confronti tra i risultati delle modellazioni numeriche e delle analisi sperimentali

Prime proposte per un uso dei risultati sia in ambito pianificatorio

sia in ambito progettuale


RACCOLTA DATIRACCOLTA DATIIndagini geologiche e geotecniche (800 sondaggi)

Informazioni sul danneggiamento storico da terremoti (500 dati)

Carte geografiche storiche realizzate a partire dal 1572 (156 mappe)

Nuova campagna geognostica:• 12 sondaggi a carotaggio continuo della profondità

di 40 m

ciascuno, con relativi down hole• 11 prove SPT• 11 stendimenti

di sismica superficiale a rifrazione (138 m ognuna)

con restituzione tomografica

per onde SH e P• 3 profili sismici con tecniche MASW e Remi• prove di laboratorio statiche e dinamiche su 23 campioni

indisturbati (proprietà

fisiche, analisi granulometrica, prova edometrica, prova triassiale

e colonna risonante)


Sondaggi

Sismica a rifrazione

Nuove campagne di indagini


0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1Deformazione tangenziale (g%)

G/G

0

S1C2 APM S5C2 SS-LAS6C2 SM S8C2 AMS9C3 TA S12C1 EC-F-RRollins (1998) CP-CT-GA Sintema di Fighille (2001) AM

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1Deformazione tangenziale (g%)

D%

S1C2 APM S5C2 SS-LAS6C2 SM S8C2 AMS9C3 TA S12C1 EC-F-RRollins (1998) CP-CT-GA Sintema di Fighille (2001) AM

unità geofisica sigla Vs (m/s) Vp (m/s) (kN/m3)riporti R 220 710 19.2frane F 250 750 19.2unità eluvio-colluviale EC 260 830 19.6unità ghiaiosa alluvionale GA 300 1020 19.7unità limosa alluvionale LA 270 780 19.4unità argillosa Pian di Massiano APM 250 1800 19.7unità argillosa S. Sisto SS 350 1350 19.3unità conglomeratica Tassello CT 510 1890 20.2unità sabbiosa Monterone SM 470 2060 21unità argillosa Monteluce AM 500 1870 20unità conglomeratica Piscille CP 650 2200 20unità torbiditica alterata TA 540 2120 20unità Marnoso-Arenacea MA 760 2440 20.9unità Schlier S 900 2300 21unità Bisciaro B 900 2400 23.5unità Scaglia Cinerea SC 1000 2520 24.2unità Scaglia Rossa SR 1800 4560 25.5

MODELLO MODELLO GEOLOGICO GEOLOGICO GEOFISICOGEOFISICO


SEZIONI GEOLOGICHE SEZIONI GEOLOGICHE --

GEOFISICHEGEOFISICHE

0100200300400500

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 800

GA

AM TA

CT

1 2

3 4

5 6 7 8 9

10 11 12 13 14

15

16

CT AM

TA EC

EC R R EC

0100200300400500

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500

GA

CT

TA

CT

1 2

3 4

5 6

7 8

9 10 11 12

13

CT SM TA CT EC

R F EC

APM

CT

EC

TA AM

TA

TA Centro Storico

Centro Storico

Pian di Massiano


INPUT SISMICOINPUT SISMICOCome 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

Compatibili convalore

di amax

atteso (GdL, 2004)

Compatibili con coppia magnitudo-distanza da analisi di disaggregazione

Database ITACA

Evento Data Ora Lat (°)

Long (°)

Profondità (km) Mw ML Regime tettonico

VAL NERINA 1979-09-19 21:35:37 42.800 13.040 6.0 5.8 5.5 Faglia normale

GUBBIO 1984-04-29 05:03:00 43.208 12.568 6.0 5.6 5.2 Faglia normale

UMBRIA-MARCHE 1° SHOCK

1997-09-26 00:33:12 43.023 12.891 3.5 5.7 5.6 Faglia normale

UMBRIA-MARCHE 2° SHOCK

1997-09-26 09:40:25 43.015 12.854 9.9 6.0 5.8 Faglia normale


0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0Periodo (s)

PSA

(g)

VAL NERINA_CSC_W-E

GUBBIO_PTL_N-S

GUBBIO_PTL_W-E

U-M 1° shock_ASS_N-S

U-M 2° shock_ASS_W-E

MEDIA

NTC_Categoria A_Perugia

Sigla Lat (°)

Long (°)

Distanza epicentrale (km) Evento Stazione Comp. Litologia

Pga (g)

CSC 42.710 13.010 9.3 VAL NERINA Cascia W-E Roccia 0.203

PTL 43.420 12.440 26.1 GUBBIO Pietralunga N-S Roccia - 0.172

PTL 43.420 12.440 26.1 GUBBIO Pietralunga W-E Roccia - 0.177

ASS 43.070 12.600 24.0 UMBRIA-MARCHE 1° SHOCK Assisi N-S Roccia 0.155

ASS 43.070 12.600 21.4 UMBRIA-MARCHE 2° SHOCK Assisi W-E Roccia 0.188

INPUT SISMICOINPUT SISMICOApplicazione Applicazione -- PerugiaPerugia

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0 5 10 15 20 25 30

Tempo (s)

Acc

eler

azio

ne (g

)

VAL NERINA_CSC_WE

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0 5 10 15 20 25 30

Tempo (s)

Acc

eler

azio

ne (g

)

GUBBIO_PTL_NS

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0 5 10 15 20 25 30

Tempo (s)

Acc

eler

azio

ne (g

)

GUBBIO_PTL_WE

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0 5 10 15 20 25 30

Tempo (s)

Acc

eler

azio

ne (g

)

U-M 1° SHOCK_ASS_NS

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0 5 10 15 20 25 30

Tempo (s)

Acc

eler

azio

ne (g

)

U-M 2° SHOCK_ASS_WE

INPUT INPUT SISMICOSISMICO


VAL NERINA_CSC_WE

0.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0.010

0 5 10 15 20 25 30Frequenza (Hz)

Am

piez

za (g

*s)

GUBBIO_PTL_NS

0.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0.010

0 5 10 15 20 25 30Frequenza (Hz)

Am

piez

za (g

*s)

GUBBIO_PTL_WE

0.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0.010

0 5 10 15 20 25 30Frequenza (Hz)

Am

piez

za (g

*s)

U-M 1° SHOCK_ASS_NS

0.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0.010

0 5 10 15 20 25 30Frequenza (Hz)

Am

piez

za (g

*s)

U-M 2°SHOCK_ASS_WE

0.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0.010

0 5 10 15 20 25 30Frequenza (Hz)

Am

piez

za (g

*s)

INPUT INPUT SISMICOSISMICO


CODICI CODICI DIDI

CALCOLO CALCOLO

In relazione alle caratteristiche geologiche, geotecniche e geofisiche dell’area in esame, che presentano un andamento degli strati più

superficiali assimilabili a strati piano-paralleli, è

stato

scelto di utilizzare principalmente un codice di calcolo monodimensionale 1D

Lungo la sezione n. 2 sono state individuate due morfologie bidimensionali, che sono state oggetto di analisi 2D:

una valle (Pian di Massiano) -

FEM

un rilievo (centro storico Perugia) -

BEM


RISULTATI 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


RISULTATI RISULTATI I risultati delle analisi in termini di fattore di amplificazione mostrano in generale modesti valori di amplificazione se si escludono le aree caratterizzate dalla presenza di riporti (R), coltri eluvio-colluviali (EC) e unità

limose e ghiaiose alluvionali (LA e

GA) con spessori maggiori di 5 m

1.25

1.41

1.07

1.19

1.08 1.08

1.67

1.04

1.28

1.86

1.221.19 1.20

1.09

1.27

1.35

1.18 1.18

1.31

1.23

1.35 1.35

1.48

1.31

1.39 1.38 1.36 1.36

1.22

1.351.31

1.201.18

1.22 1.231.19

1.25 1.25

1.48

1.24

1.33

1.47

1.281.31

1.19

1.25 1.261.22

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2.0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Profili analizzati

Fa

fa .1-0.5 fa .5-1.5 fa .1-2.5

1.46

1.40

1.10

1.24 1.22

1.53

1.79

1.13

1.80

1.29

1.74

1.961.91

1.33

1.06

1.35

1.26

1.55

1.41

1.32 1.31

1.18

1.13

1.27

1.76

1.68

1.23

1.10

1.28

1.20

1.511.46

1.22 1.22

1.33

1.16

1.37

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2.0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13Profili analizzati

Fa

fa .1-0.5 fa .5-1.5 fa .1-2.5


Gli spettri di risposta elastici in accelerazione mostrano modesti livelli di amplificazione, ben rappresentati dagli spettri di normativa associati alle relative categorie di sottosuolo, ad esclusione dei casi sopra citati. Si riportano i risultati nei punti 2 e 10 della sezione n. 1, che mostrano rispettivamente un caso di adeguatezza e un caso di

non adeguatezza della norma

RISULTATI RISULTATI

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0Periodo (s)

PSA

(g)

VAL NERINA_CSC_W-E

GUBBIO_PTL_N-S

GUBBIO_PTL-_W-E

U-M 1°SHOCK_ASS_N-S

U-M 2°SHOCK_ASS_W-E

MEDIA

NTC_Categoria B_Perugia

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0Periodo (s)

PSA

(g)

VAL NERINA_CSC_W-E

GUBBIO_PTL_N-S

GUBBIO_PTL-_W-E

U-M 1°SHOCK_ASS_N-S

U-M 2°SHOCK_ASS_W-E

MEDIA

NTC_Categoria C_Perugia


L’analisi 2D effettuata sul rilievo del centro storico non ha evidenziato sostanziali effetti di amplificazione topografica: è

mostrato il confronto tra gli spettri di risposta medi ottenuti in corrispondenza del punto sommitale del rilievo (punto 6 sezione 2) dalle analisi 1D e 2D

RISULTATI RISULTATI

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0Periodo (s)

PSA

(g)

Media_1D Media_2D NTC_Categoria B_Perugia


RISULTATI RISULTATI L’analisi 2D condotta in corrispondenza del Pian di Massiano

ha

evidenziato valori di amplificazione molto simili a quelli ottenuti dalle analisi 1D, mostrando una scarsa influenza delle geometrie

sepolte sull’amplificazione: è

mostrato il confronto tra gli spettri di risposta medi ottenuti in corrispondenza del punto 2 sezione 2 dalle analisi 1D e 2D

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0Periodo (s)

PSA

(g)

Media_1D Media_2D NTC_Categoria C_Perugia


ANALISI SPERIMENTALIANALISI SPERIMENTALIMetodo dei rapporti spettrali

28 siti di cui 2 di riferimento su substrato rigido

Sensori a 3 componenti Lennartz

Le-3Dlite

Registrazioni per 9 mesi

2100 eventi, Ml = 1.0-5.8, D = 20-500 Km

METODOLOGIA:

Calcolo rapporti spettrali

Funzione di amplificazione

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


UBICAZIONE SITI REGISTRAZIONIUBICAZIONE SITI REGISTRAZIONI


RAPPORTI SPETTRALI RAPPORTI SPETTRALI


RISULTATI RISULTATI


CONFRONTO RISULTATI 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 come mostrato nei due esempi punto 10 sezione n. 1 con presenza di riporto con spessore maggiore di 5 m, punto 2 sezione n. 1 con presenza di coltri eluvio-colluviali con spessore inferiore a 5 m

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5Periodo (s)

PSA

(g)

NUMERICA STRUMENTALE INPUT

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5Periodo (s)

PSA

(g)

NUMERICA STRUMENTALE INPUT


UTILIZZO DEI RISULTATI UTILIZZO DEI RISULTATI

Considerando la robustezza dei risultati ottenuti si può prevedere:

• 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



0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0Periodo (s)

PS

A (g

)

P1 P2P3 P4P5-P6 P8P9 P11P12 P13P14 P15P16 NTC_Categoria B_Perugia

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0Periodo (s)

PS

A (g

)

P7 P10 NTC_Categoria C_Perugia


metodi di analisi quantitativa della risposta sismica ... · capostipite dei programmi...

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