Il progetto HAZUS è stato realizzato dall’l'Istituto nazionale di scienze dell'edilizia (NIBS) per la Federal Emergency Management Agency (FEMA) con lo scopo principale di sviluppare linee guida e procedure per stimare le perdite a seguito di un terremoto su scala regionale. La metodologia è implementata su una applicazione software GIS fornita dal NIBS. La metodologia prevede più moduli per il calcolo delle perdite dovute al sisma come rappresentato nel diagramma di flusso di figura 51. L’utente può decidere di utilizzare anche una sola parte dei moduli o tutti i moduli a seconda delle finalità dello studio. Nel manuale dell’HAZUS per ogni tipologia di elemento sensibile vengono riportate le metodologie di analisi utilizzate nel software, i dati di input necessari all’implementazione e i risultati di output. Nei successivi paragrafi viene riportata una breve sintesi dell’impostazione metodologica dell’HAZUS con riferimento alle infrastrutture stradali. La metodologia per stimare i danni diretti alle infrastrutture viarie suddivise nelle diverse componenti corpo stradale, ponti/viadotti e gallerie è riporta nella sezione 7. La stima del danno viene calcolata sulla base delle caratteristiche dei singoli componenti, delle caratteristiche della sollecitazione sismica e della risposta del terreno in termini di accelerazioni e deformazioni permanenti. Per ogni tipologia di componente vengono descritte i dati di input necessari all’implementazione della metodologia nonché le funzioni di danno utilizzate come modello di fragilità.
Pag. 108 a 249 Figura 51 Diagramma di flusso della metodologia HAZUS per la stima dei danni causati da un terremoto
I dati di input necessari per l’elaborazione della metodologia sono stati differenziati rispetto alle tipologie di elementi in cui è stata suddivisa l’infrastruttura e riguardano:
per il corpo stradale
• Posizione geografica dei collegamenti stradali
• Deformazione del terreno permanente (PGD)
• Classificazione delle strade per i ponti/viadotti
• Posizione geografica del ponte [longitudine e latitudine]
• Classificazione del ponte
• Accelerazioni spettrali a 0,3 sec e 1,0 sec, e PGD
• Accelerazione del picco di terra (per calcoli relativi alla PGD) per le gallerie
• Posizione geografica delle gallerie
• PGA e PGD al tunnel
• Classificazione tunnel
Classificazione dei livelli di danno
Il metodo HAZUS definisce 5 stati di danno per le componenti del sistema stradale:
• Livello di danno DS1, nessun danno
Pag. 109 a 249 • Livello di danno DS3, danno moderato (moderate)
• Livello di danno DS4, danno esteso (extensive)
• Livello di danno DS5, danno completo (complete)
I cinque stati di danni così definiti vengono descritti nel dettaglio per le tre diverse componenti in cui viene suddivisa l’infrastruttura stradale: strada o, ponti e viadotti e gallerie
Corpo stradale
Il livello di danno DS2, è definito per lievi spostamenti del terreno (pochi pollici), il livello di danno DS3, è definito per spostamenti del terreno di diversi pollici, il livello di danno DS4, è definito per grandi spostamenti del terreno (pochi piedi) come anche ed il livello di danno DS5;
Ponti /viadotti
Il livello di danno DS2, si ha con la formazione di crepe ridotte e spalling nella spalla, formazione di crepe ridotte e spalling nelle connessioni a taglio delle spalle e nelle cerniere, formazione di crepe minori nella soletta e nelle pile (il danno DS2 non richiede altro che una riparazione estetica).
Il livello di danno DS3 si ha con la formazione di crepe da taglio (con spalling) in alcune pile, crepe estese e spalling delle connessioni a taglio, qualche bullone piegato e moderati movimenti della spalla inferiori a 5 cm;
Il livello di danno DS4 si ha con colonne danneggiate ma non in fase di collasso, sovrapposizione della soletta con spostamento verticale sulla spalla, rotture a taglio, significativi spostamenti residui alle connessioni e differenti sovrapposizioni, rottura delle connessioni a taglio sulla spalla
Il livello di danno DS5 si ha con il collasso di qualche pila e connessioni che perdono completamente l’appoggio, possibile collasso dell’impalcato ed eventuale rottura delle fondazioni.
Gallerie
Il livello di danno DS2, si ha con la formazione di piccole fessurazioni del rivestimento del tunnel (danno che non richiede altro che una riparazione estetica) distacchi di roccia, o lievi franamenti di terreno in corrispondenza dei portali di ingresso.
Il livello di danno DS3 si ha con la formazione di diverse fessurazioni del rivestimento del tunnel e distacchi di roccia ai portali;
Il livello di danno DS4 è caratterizzato da un importante franamento di terreno a uno dei portali del tunnel e la formazione di ampie crepe nel rivestimento del tunnel;
Il livello di danno DS5 è caratterizzato da grandi fessurazioni del rivestimento del tunnel, che possono portare al possibile collasso.
Funzioni di danno
Per valutare gli effetti dell’azione sismica vengono definite delle funzioni di danno che forniscono la stima della probabilità di funzionamento dell’elemento stradale e la valutazione del danneggiamnto espresso come rapporto percentuale. Le funzioni di danno o curve di fragilità per tutti e tre i componenti del sistema stradale sono rappresentate con funzioni lognormalmente distribuite che danno la probabilità di raggiungere o superare i diversi stati di danno sopra descritti per un dato
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livello di accelerazione a suolo o deformazione del suolo. Ogni curva di fragilità è caratterizzata da un valore medio dell’accelerazione al suolo o deformazione e un valore di varianza.
La sollecitazione sismica è quantificato in termini di accelerazione di picco del terreno (PGA) e accelerazione spettrale (Sa), mentre le instabilità del terreno sono quantificate in termini di spostamento permanente cumulato (PGD):
• Per il corpo stradale, le curve di fragilità sono definite in funzione degli spostamenti permanenti cumulati (PGD).
• Per i ponti, le curve di fragilità sono definite in funzione dell’accelerazione spettrale a 0,3 s e 1,0 s, Sa (0,3), Sa (1,0) ed in funzione degli spostamenti permanenti cumulati (PGD).
• Per le gallerie, le curve di fragilità sono definite in funzione dell’accelerazione massima (PGA) e degli spostamenti permanenti cumulati (PGD).
Le funzioni di danno dipendono dalle caratteristiche delle tre diverse componenti della strada ovvero corpo stradale, ponti e gallerie.
Corpo stradale
Le strade sono classificate come strade principali e strade urbane. Le strade principali includono autostrade interstatali e statali e altre strade a quattro corsie o più. Le strade urbane comprendono strade interurbane e altre strade a due corsie. Nella figura 52 sono riportati le curve di fragilità ed i parametri necessari per la costruzione, utilizzati all’interno del software Hazus.
Figura 52 a) curve di fragilità HAZUS per il corpo stradale riferite alle autostrade, b) curve di fragilità HAZUS per il corpo stradale riferite alle strade urbane ed extraurbane secondarie, c) parametri per la costruzione delle curve di
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I ponti sono classificati sulla base di alcune caratteristiche strutturali: materiale di costruzione (acciaio, calcestruzzo, ecc), numero di campate, criteri di progettazione sismica, tipo di pila (multiple, singole a muro), tipo di appoggio, schema statico dell’impalcato.
Tabella 21 parametri per la costruzione delle curve di fragilità dei viadotti soggetti all’azione sismica espressa in termini di accelerazione spettrale a 1s - metodo HAZUS
In Hazus sono stati identificate 28 tipologie di ponti standard per i quali sono state elaborate le curve di fragilità con riferimento ai quattro stati di danno sopra descritti. Le curve di fragilità sono state costruite a partire dall’analisi dei dati di danneggiamento dei ponti durante il terremoto di Northridge in California del 1994 (Basoz 1999) Mander (1999). Nella tabella 21 sono riportati i valori medi della sollecitazione sismica in termini di Sa (1) e degli spostamenti permanenti cumulati (PGD)
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per le 28 tipologie di ponti e per i quattro livelli di danno. La deviazione standard per la sollecitazione sismica è stata definita pari a 0,6 mentre per le deformazioni del terreno è pari a 0,2. Sulla base delle caratteristiche del singolo ponte viene modificato il valore medio di Sa(1) attraverso l’introduzione di tre fattori correttivi:
j( = ksin(90 − p) dove p è l’angolo di sghembatura del ponte
jq.T = 2,5 + t (0.3 sec)t (1 sec)
jxy= 1 z {!|; dove N e il numero di campate ed A e B sono coefficienti che dipendono dalla
tipologia di ponte come riportato nella tabella 22
A B Tipologia di ponte EQ1 0.25 1 HWB1, HWB2, HWB3, HWB4, HWB5, HWB6, HWB7, HWB14, HWB17, HWB18, HWB19 EQ2 0.33 0 HWB8, HWB10, HWB20, HWB22 EQ3 0.33 1 HWB9, HWB11, HWB16, HWB21, HWB23 EQ4 0.09 1 HWB12, HWB13 EQ5 0.05 0 HWB15 EQ6 0.20 1 HWB24, HWB25 EQ7 0.10 0 HWB26, HWB27
Tabella 22 Parametri per il calcolo del fattore jxy per le diverse tipologie di ponti – metodo HAZUS
Tabella 23 Parametri per la costruzione delle curve di fragilità dei viadotti soggetti a spostamenti permanenti del terreno di fondazione PGD - metodo HAZUS
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Sulla base delle caratteristiche del singolo ponte viene modificato anche il valore medio di PGD attraverso l’introduzione di due fattori correttivi }= ed }~ (di cui il primo per modificare il valore medio di PGD per i livelli di danno DS2, DS3 e DS4 ed il secondo per modificare il valore medio di PGD per il livello di danno DS5) riportati nella tabella 23. Nella suddetta tabella L è la lunghezza del ponte, N è il numero di campate del ponte, W la è la larghezza della campata ed p è l’angolo di sghembature del ponte. Nella figura 53 è riportato un esempio di curve di fragilità per il ponte HWB1
Gallerie
Le gallerie vengono differenziata tra gallerie naturali e gallerie cut & cover. Le funzioni di danno sono basate su dati derivanti da terremoti Dowding et alii (1978) e Owen et alii (1981).
Figura 54 a) curve di fragilità HAZUS per le gallerie naturali in termini di PGA, b) curve di fragilità HAZUS per le gallerie in termini di PGD, c) parametri per la costruzione delle curve di fragilità
Sono state sviluppate dieci funzioni di danno di cui quattro funzioni di danno in riferimanto alla sollecitazione sismica e sei funzioni in riferimento alla deformazione del terreno (PGD). Nella tabella
Figura 53 esempio di curve di fragilità per ponti e viadotti – metodo HAZUS
a)
c)
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di figura 54 c sono riportati i valori medi di PGA e PGD per costuire le curve di fragilità per i rispettivi livelli di danneggiamento previsti. Il metodo HAZUS è però tarato sulle tipologie costruttive presenti negli Stati Uniti di America e la sua applicazione al contesto italiano potrebbe risultare poco rappresentativo.
Tempi di ripristino
Nell’ambito del progetto HAZUS sono state definite delle funzioni di ripristino per i diversi elementi dell’infrastruttura stradale rappresentate attraverso delle curve normali standard di cui vengono fornite medie e deviazioni standard indicati nella tabella 24.
Tabella 24 Parametri per la costruzione delle curve di ripristino – metodo HAZUS