2. Valutazione della sicurezza e percorso della conoscenza di edifici esistenti in c.a.
2.6 Effetti di amplificazione locale
Le condizioni del sito di riferimento rigido, in generale, non corrispondono a quelle effettive; è opportuno, allora, tenere conto delle condizioni stratigrafiche del volume di terreno interessato dall’opera, ma, anche, delle condizioni topografiche, dal momento che entrambe le cose concorrono a modificare l’azione sismica in superficie, rispetto a quella attesa su un sito rigido come superficie orizzontale. Queste modificazioni in ampiezza, durata e contenuto in frequenza, rappresentano il risultato della risposta sismica locale che emerge in “superficie”, a seguito delle modifiche in ampiezza, durata e contenuto in frequenza, subite trasmettendosi dal substrato rigido. Per individuare in modo univoco la risposta sismica si assume come “superficie” il “piano di riferimento” quale definito, per le diverse tipologie strutturali.
Le modifiche riguardano:
- Gli effetti stratigrafici, strettamente connessi alla successione stratigrafica, alle proprietà meccaniche dei terreni, alla geometria del contatto tra substrato rigido e i terreni sovrastanti ed alla geometria dei contatti tra gli strati di terreno
- Gli effetti topografici, legati alla configurazione topografica del piano di campagna. La modifica delle caratteristiche del moto sismico, per effetto della geometria superficiale del terreno, va attribuita alla focalizzazione delle onde sismiche in prossimità della cresta dei rilievi a seguito di fenomeni di riflessione delle onde sismiche ed all’interazione tra il campo d’onda incidente e quello rifratto. Proporzionalmente al rapporto tra l’altezza del rilievo e la sua larghezza, aumentano i fenomeni di amplificazione cresta-base
Nelle NTC 2008, “le azioni sismiche di progetto, in base alle quali valutare il rispetto dei diversi stati limite considerati, si definiscono a partire dalla pericolosità sismica di base del sito di costruzione. Essa costituisce l’elemento di conoscenza primario per la determinazione delle azioni sismiche”.
Questo punto normativo prescrive che l’accelerazione ag, corrispondente all’azione
sismica del territorio nazionale, non può essere utilizzata direttamente per calcolare l’accelerazione indotta sulla struttura, dal momento che non corrisponde all’accelerazione al
essere di natura molto varia, si comporta come un filtro che modifica il segnale, e può determinare degli effetti molto differenti in orizzontale su edifici di pari vulnerabilità.
Figura 2.5: Effetti di sito in orizzontale – Izmit (Turchia) – Magnitudo 7.4
Figura 2.6: Effetti di sito in verticale – registrazioni down-hole a diverse profondità
Al fine di determinare le azioni sismiche che investono un manufatto, è assolutamente importante studiare e analizzare gli effetti locali in un sito, valutare le modifiche che il moto sismico subisce nel trasferimento dalla formazione rigida di base (bedrock) verso la superficie libera.
Ovviamente, se si deve fare riferimento a grandi aree, come per esempio un territorio urbano, è utile individuare zone a differente risposta, elaborando le cosiddette mappe di “microzonazione sismica”; generalmente si tende a non considerare tanto le caratteristiche di
manufatti esistenti o in progetto, ma, piuttosto, a valutare la risposta sismica del sito in prossimità della sua superficie libera; potremmo definire tale operazione come “microzonazione a priori”.
Qualora uno studio di effetti locali venga eseguito per un’area di dimensioni limitate, e con riferimento a specifici manufatti in progetto, nella definizione della risposta sismica del sito, non si possono trascurare le peculiari caratteristiche delle strutture, e le potenziali soluzioni.
Lo studio degli effetti locali può quindi essere efficace nella determinazione delle scelte progettuali: potremmo definire tale operazione come “microzonazione in itinere”; è possibile, anche, uno studio “a posteriori” che riguarda un ben definito manufatto, già progettato o addirittura realizzato, per il quale è possibile effettuare un analisi dell’interazione “completa” tra moto sismico al bedrock, sottosuolo e struttura in elevazione.
La microzonazione è, da un punto di vista disciplinare, assai complessa, e per questo coinvolge diverse materie:
- Geologia: caratterizzazione dell’assetto stratigrafico e strutturale, delle litologie e della geomorfologia di siti, con indicazioni generali sullo stato di consistenza e fratturazione dei terreni;
- Geofisica: individuazione su base sperimentale delle frequenze proprie dei terreni in sito e di fattori d’amplificazione relativi a prospezioni geofisiche delle geometrie e delle caratteristiche fisiche delle coltri superficiali, analisi degli accelerogrammi reali, qualora disponibili.
- Geotecnica: individuazione delle proprietà meccaniche dei terreni sulla base delle indagini già disponibili e degli eventuali approfondimenti, con conseguente modellazione di alcuni casi rappresentativi;
- Ingegneria delle strutture: riconoscimento degli indizi di amplificazione locale dall’esame del danno degli edifici dovuto al terremoto, opportunamente normalizzato per tenere conto delle differenti vulnerabilità degli edifici stessi;
- Sismicità storica: reperimento di documentazione che riporti la presenza di situazioni di danno “anomale” prodotte da terremoti del passato e quindi indicative di particolari incrementi dell’azione sismica.
Per poter valutare gli effetti della risposta sismica locale, si può fare riferimento a metodi semplificati oppure eseguendo specifiche analisi; la condizione necessaria affinché vengano utilizzati i metodi semplificati, è che l’azione sismica in superficie venga descritta dall’accelerazione massima o dallo spettro elastico di risposta, e non se descritta mediante accelerogrammi.
Attraverso i metodi semplificati è possibile valutare gli effetti stratigrafici e topografici; si attribuisce il sito ad una delle categorie di sottosuolo definite nelle NTC 2008 ed ad una delle categorie topografiche. In questo caso, la valutazione della risposta sismica locale consisterà nella modifica dello spettro di risposta in accelerazione del moto sismico di riferimento, relativo all’affioramento della formazione rocciosa (suolo A) su superficie orizzontale (Condizione topografica T1). Per l’identificazione della categoria di sottosuolo è
fortemente raccomandata la misura delle velocità Vs,30 di propagazione delle onde di taglio
entro i primi 30 m di profondità. La velocità equivalente delle onde di taglio è definita dall’espressione:
i i N i s V h V , 1 30 , 30 [Eq. 2.1] Dove:hi è lo spessore (in metri) dell’i-esimo strato compreso nei primi 30 m di profondità;
Vi è la velocità delle onde di taglio nell’i-esimo strato.
La velocità equivalente è ottenuta imponendo l’equivalenza tra i tempi di arrivo delle onde di taglio in un terreno omogeneo equivalente, di spessore pari a 30 m, e nel terreno stratificato in esame, di spessore complessivo ancora pari a 30 m. essa assume quindi valori differenti da quelli ottenuti dalla media delle velocità dei singoli strati pesata sui relativi spessori, soprattutto in presenza di strati molto deformabili di limitato spessore. Il fine è quello di prendere in considerazione il contributo degli strati più deformabili.
In mancanza di misure di Vs, l’identificazione della categoria di sottosuolo può essere
prova penetrometrica dinamica (NSPT) per depositi di terreni prevalentemente a grana grossa e la resistenza non drenata (cu) per depositi di terreni a grana fine.
Le equazioni 3.2.2 e 3.2.3 delle NTC 2008 possono ad esempio essere utilizzate per la classificazione di un sito sulla base del numero di colpi misurati in prove penetrometriche
dinamiche in terreni a grana grossa nei primi 30 m di profondità, Nspt,30, e dei valori dlla
resistenza non drenata di terreni a grana fine nei primi 30 m di profondità, Cu,30. Le
espressioni utilizzate per la determinazione di Nspt,30 e Cu,30 sono simili nella forma a quella
utilizzata per la velocità equivalente Vs,30.
Le modifiche del segnale sismico, nella propagazione dal bedrock al piano campagna, dipendono in maniera sostanziale dalla variazione di rigidezza dei terreni e quindi da Vs. parametri di resistenza dei terreni e possono essere utilizzati per classificare un sito, qualora dipendano dalle stesse variabili di stato che condizionano la rigidezza. Il parametro di resistenza dovrebbe essere medio pesato o riportato ad una profondità predefinita. L’esperienza mostra che relazioni-rigidezza sono affidabili solo su scala regionale; le cose funzionano meno se si usano formulazioni di validità regionali, come le seguenti:
Tabella 2.6: Classificazione dei terreni in funzione di parametri derivanti da prove ordinarie
CPT
SPT
Fonte Espressioni Coefficienti Terreni
Rix & Stokoe (1991) Go k(qc)a(v0)b k=1634
a=0.25, b=0.375 Sabbie quarzose
Mayne & Rix (1993) Go k(qc)a(e)b k=406
a=0.695, b=1.13 Argille Imais (1977) VsaNb a=102, b=0.29 a=81, b=0.33 a=114, b=0.29 a=97, b=0.32 Argille Olocene Sabbie Olocene Argille Pleistocene Sabbie Pleistocene
Ohta & Goto (1978) Vs69z0.2N0.17
a=1.0 a=1.3 b=1.00 b=1.09 b=1.07 b=1.14 b=1.15 b=1.45 Olocene Pleistocene Argille Sabbie fini Sabbie medie Sabbie grosse Sabbie ghiacciose Ghiaie
Le azioni sismiche da valutare nella progettazione, per determinate categorie di sottosuolo, per determinati sistemi geotecnici o se si intende aumentare il grado di accuratezza nella previsione dei fenomeni di amplificazione, possono essere determinate mediante specifiche analisi di risposta sismica locale. Queste analisi presuppongono un’adeguata conoscenza delle proprietà meccaniche dei terreni in condizioni cicliche, determinate mediante specifiche indagini e prove geotecniche.
Misure di Vs
Al fine di valutare le velocità di propagazione delle onde di taglio, determinati principi si devono seguire:
- Generare onde di volume o di superficie con una sorgente polarizzata; - Registrare gli effetti con uno o più ricevitori (geofoni);
- Ottenere la velocità di propagazione delle onde P, S, R nel terreno.
Facciamo riferimento a due metodologie per la valutazione delle velocità di propagazione delle onde di taglio:
1. Prova down-hole: il metodo prevede una sorgente orizzontale ad impatto, per
cui basta un solo foro e l’ampiezza delle onde si attenua con la profondità. Il modulo sismico è un corpo cilindrico posto sopra il dilatometro piatto. Al suo interno sono posizionati due geofoni distanti 50 cm. La prova sismica avviene ogni 50 cm (Figura 2.7a).
2. Prova cross-hole: il metodo si realizza con una sorgente verticale ad impatto;
saranno necessari due fori per posizionare le due sorgenti e l’ampiezza delle onde è indipendente dalla profondità (Figura 2.7b).
Possono essere effettuate analisi di risposta sismica più approfondite, basate su modellazioni numeriche ad elementi finiti con codici di calcolo bidimensionali, finalizzate alla valutazione di effetti locali per fattori sia litologici che morfologici.
(a) (b) Figura 2.7: (a) Prove down-hole – (b) Prove cross-hole
Rischio di liquefazione e sua valutazione con prove in sito
Con la liquefazione si attua la perdita di resistenza al taglio e/o di rigidezza causata dall’aumento di pressione interstiziale in terreno saturo non coesivo durante lo scuotimento sismico, tale da generare deformazioni permanenti significative e, addirittura, l’annullamento degli sforzi efficaci nel terreno.
Dunque, le analisi di liquefazione vanno condotte, in modo particolare, in aree potenzialmente soggette a forte e fortissima sollecitazione sismica; il fattore di sicurezza FSL, nella verifica di resistenza alla liquefazione di un livello di terreno, è rappresentato dal rapporto tra la capacità di resistenza alla liquefazione, espressa in rapporto alla resistenza ciclica (CRR), e la domanda di resistenza alla liquefazione, espressa in termini di rapporto di tensione ciclica (CSR).
Per valutare il fattore di sicurezza FSL, occorre stimare, in modo separato, le due variabili CSR e CRR. Al fine di valutare la resistenza alla liquefazione, sono state effettuate, prevalentemente prove penetrometriche statiche (CPT), che hanno trovato una più ampia applicabilità, grazie alla accuratezza e ripetitività delle analisi. Accanto alle prove penetrometriche, è fondamentale determinare le velocità delle onde di taglio con le tecniche precedentemente viste (DH, CH, SCPT, SASW …). Per procedere alla rappresentazione areale del rischio di liquefazione occorre quindi riferirsi ai valori numerici associati ad ogni singola prova. Un indice sintetico, applicabile a tutti i metodi che prevedono il calcolo del profilo del fattore di sicurezza, è rappresentato dal potenziale di liquefazione PL.