Scelta degli accelerogrammi

L‟Ordinanza della Protezione Civile 3431 e l‟Eurocodice 8 descrivono la possibilità di rappresentare l‟azione sismica mediante l‟uso di accelerogrammi artificiali, simulati o naturali.

Gli accelerogrammi artificiali sono accelerogrammi ottenuti con l‟utilizzo di algoritmi che permettono di generare segnali compatibili con uno spettro di riferimento. Alcuni studi affermano che procedendo in questo modo il numero di cicli o l‟energia del segnale possono essere lontani da quelli di una registrazione reale o possono condurre ad una stima non corretta della risposta non lineare. Uno dei software che può essere utilizzato per generare accelerogrammi artificiali spettro compatibili è SIMQKE. L‟approccio sviluppato è di generare una funzione di densità spettrale dallo spettro di risposta e poi ricavare dei segnali sinusoidali aventi angoli di fase casuali. I segnali sinusoidali sono poi sommati e con una procedura iterativa possono essere confrontati con lo spettro di risposta di riferimento. Dal quadrato del rapporto si aggiusta la funzione di densità spettrale e così si genera il nuovo movimento del terreno. Il vantaggio di tale approccio è che si possono ottenere accelerogrammi completamente compatibili con lo spettro di risposta elastico, ma lo svantaggio è che si genera un eccessivo numero di cicli di forte movimento che di conseguenza possiedono un alto contenuto di energia realmente non ragionevole.

Gli accelerogrammi sintetici vengono generati, attraverso la modellazione, con metodi sia deterministici che stocastici, dei meccanismi di nucleazione e/o propagazione degli eventi sismici. Questi metodi sono in grado di simulare gli effetti dei processi fisici connessi col moto al suolo, come la genesi del terremoto, propagazione dell‟onda e risposta superficiale al sito. Nella pratica ingegneristica, sussistono ostacoli all‟utilizzo di accelerogrammi così ottenuti in quanto le competenze necessarie per la generazione sono, a tutt‟oggi, specifiche dei sismologi; inoltre l‟arbitrarietà con cui si assegnano alcuni parametri fisici nei modelli di simulazione ne rendono discutibile l‟utilizzo per la stima probabilistica della risposta sismica delle strutture.

Gli accelerogrammi naturali che sono ottenuti come registrazioni di eventi reali, sembrano essere la più diretta rappresentazione del moto al suolo in quanto

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riportano in se caratteristiche quali ampiezza, contenuto di frequenze e di energia, durata e fase di eventi reali. Rispetto al passato, sussiste una crescente disponibilità di cataloghi on-line che forniscono libero accesso ad una grande quantità di registrazioni.

Le vie con cui si possono scegliere gli accelerogrammi naturali sono dettate in gran misura dalle informazioni disponibili dal rischio sismico del sito in esame. Gli accelerogrammi naturali possono essere scelti con diversi criteri; i più diffusi sono quelli che impongono parametri sismologici oppure che fanno riferimento ad uno spettro di risposta.

In Figura 3.4 si vedono le diverse opzioni adottabili, dove DSHA è la valutazione deterministica del rischio sismico, PSHA è la valutazione probabilistica del rischio sismico, CODE rappresenta lo spettro da normativa.

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I parametri sismologici presentati in Figura 3.4 sono M che indica il magnitudo, R la distanza e ε la distanza dal valor medio del parametro di intensità impiegato previsto dalla legge di attenuazione utilizzata, ma generalmente non si usa come parametro di ricerca.

Il primo criterio di scelta che si basa sui parametri sismologici implica innanzi tutto, con la fase di disaggregazione, di definire per il sito in esame l‟intervallo di magnitudo (es: 6,5-7) e l‟intervallo di distanza (es: 20-30 km) più rappresentativi per la sismicità del sito in esame. Tali parametri sono:

 Magnitudo (M). È importante selezionare l‟appropriato magnitudo degli eventi sismici perché questo parametro influenza fortemente la frequenza e la durata del movimento.

 Distanza (R). La forma spettrale appare molto meno sensibile alla distanza che al magnitudo.

 Classificazione del sito. Questo parametro esercita una forte influenza sulla natura del sisma, modificando l‟amplificazione e la forma dello spettro di risposta.

Il secondo criterio consiste nella scelta di accelerogrammi spettro compatibili come presentato nello studio di Iervolino, Maddaloni e Cosenza [2006], nel quale è stata studiata la compatibilità degli accelerogrammi naturali con le specifiche previste dall‟OPCM 3274 e l‟EC 8 per le analisi non lineari delle strutture. Entrambe le norme impongono che la combinazione degli accelerogrammi utilizzati, sia essi costituiti da segnali naturali, sintetici o artificiali, abbiano uno spettro di risposta medio coerente con quello elastico definito dal codice. Tale coerenza è da verificare in base alla media delle ordinate spettrali ottenute con i diversi accelerogrammi per un coefficiente di smorzamento viscoso equivalente

del 5%. L‟ordinata spettrale media non deve presentare uno scarto superiore al 10%, rispetto alla corrispondente dello spettro elastico, in alcun punto dell‟intervallo di periodi da 0,15 sec a 2,0 sec e da 0,15xT sec a 2,0xT sec, in cui T è il periodo fondamentale di vibrazione della struttura in campo elastico. Secondo la norma una combinazione per l‟analisi strutturale deve essere costituita da un numero di gruppi almeno pari a 3, dove per gruppo si intende l‟insieme

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delle due registrazioni orizzontali e di quella verticale di una singola stazione sismica. Nel caso in cui si utilizzano almeno 7 diversi gruppi di accelerogrammi gli effetti sulla struttura (sollecitazioni, deformazioni, spostamenti, etc.) potranno essere rappresentati dalle medie dei valori massimi ottenuti dalle analisi. Le normative prevedono di considerare l‟utilizzo della componente verticale del sisma solo nei seguenti casi:

 Elementi pressoché orizzontali con luce superiore ai 20 m;

 Elementi a mensola;

 Pilastri in falso;

 Edifici con piani sospesi;

 Elementi principali precompressi.

La definizione dello spettro di riferimento è funzione della tipologia di terreno considerato e del livello di pericolosità sismica della zona in di interesse. Sia l‟OPCM 3274 e l‟EC 8 definiscono 5 principali categorie per i profili stratigrafici di fondazione:

A. Formazioni litoidi o suoli omogenei molto rigidi (VS30 > 800 m/s);

B. Depositi di sabbie e ghiaie molto addensate o argille molto consistenti (VS30 compreso tra 360 m/s a 800 m/s);

C. Depositi di sabbie e ghiaie mediamente addensate o di argille di media consistenza (VS30 compreso tra 180 m/s a 360 m/s);

D. Depositi di terreni granulari da sciolti a poco addensati oppure coesivi da poco a mediamente consistenti (VS30 < 180 m/s);

E. Profili di terreno costituiti da strati superficiali alluvionali (VS30

simili a quelli dei tipi C o D e spessore compreso tra 5 e 20 m, giacenti su di un substrato di materiale più rigido con (VS30 > 800

m/s).

In aggiunta a queste categorie, se ne definiscono altre due, S1, S2, per le quali sono richiesti caratterizzazioni speciali.

Nelle analisi la normativa OPCM 3274 impone di utilizzare, come già accennato, per ciascuna delle direzioni di analisi un numero di gruppi non inferiore a 3 ma

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risulta consigliabile utilizzare una combinazione costituita da 7 gruppi di registrazione. Le ragioni sono le seguenti:

 È possibile considerare gli effetti medi anziché quelli massimi;

 Aumenta significativamente la possibilità di trovare risultati;

 L‟utilizzo di soli 3 accelerogrammi può non consentire la stima in maniera corretta della variabilità della risposta strutturale.

Le norme non impongono ulteriori restrizioni ma gli autori Iervolino, Maddaloni e Cosenza [2006] considerano alcuni criteri aggiuntivi. In particolare si considerano per ciascuna combinazione individuata:

 La deviazione dello spettro medio σ della combinazione da quello della normativa. Tale fattore costituisce una misura quantitativa dello

scostamento medio , relativo alla singola combinazione, nei confronti dello spettro elastico. Tale deviazione è stata espressa nella seguente forma:



Questo parametro ha permesso di selezionare all‟interno dei risultati ottenuti, quelli che definiscono uno spettro reale medio che si discosta meno da quello di normativa e quindi di ovviare ad un‟eventuale sovrastima della risposta sismica. Graficamente in Figura 3.5 è stato rappresentato il comportamento dello spettro medio degli accelerogrammi reali con lo spettro di riferimento da normativa.

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 La deviazione massima σMAX del singolo spettro di

un’accelerogramma appartenente alla combinazione da quello di normativa. E‟ inteso come lo scostamento massimo tra tutti gli

spettri reali facenti parte della combinazione, ed è data dalla σ a patto di sostituire SA0,med(Ti) con SA0(Ti) cioè con l‟ordinata di un

singolo spettro in luogo di quella dello spettro medio. Mira ad individuare le combinazioni in cui non solo lo spettro medio è compatibile con quello di normativa, ma anche in cui gli spettri delle singole registrazioni si discostino il meno possibile dallo spettro di riferimento. In tal modo si cerca di ridurre il più possibile la variabilità della risposta strutturale tra sisma e sisma.

 L’intervallo di magnitudo degli eventi da cui provengono gli accelerogrammi di ciascuna combinazione. E‟ consigliabile avere

lo stesso intervallo di magnitudo dei sismi perché questo parametro influenza significativamente il contenuto in frequenza e la durata del moto. Questo criterio è considerato secondario rispetto agli altri.

 Numero di eventi sismici diversi all’interno della stessa

combinazioni. Ad ogni terremoto possono corrispondere più

registrazioni accelerometriche ottenute da strumenti di misura (accelerometri) disposti in diversi siti del territorio. È consigliabile, quando possibile, utilizzare le combinazioni caratterizzate da registrazioni aventi tutte codice diverso in maniera tale che l‟analisi non sia condizionata da pochi eventi dominanti.

Fermo restando le prescrizioni obbligatorie da normativa, risulta consigliabile rispettare il più possibile le precedenti restrizioni.

Per l‟utilizzo di accelerogrammi naturali sono disponibili diversi database

on-line come l’European Strong-motion Database – ESD

(http://www.isesd.cv.ic.ac.uk), che contiene gli accelerogrammi relativi ai terremoti europei. Vengono escluse a priori quelle stazioni in cui non presentano

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entrambe le componenti orizzontali e le registrazioni poco significative da un punto di vista della magnitudo, consigliabile almeno maggiore o uguale a 5,8. Per i professionisti risulta complicato utilizzare accelerogrammi reali perché non sempre si hanno a disposizione 7 accelerogrammi riferiti al sito in esame e quindi la norma cerca di sopperire a questo problema favorendo l‟utilizzo di segnali generati o modificati in modo da avere una forma spettrale compatibile con quella dello spettro da normativa. Va sottolineato che la dimensione della combinazione (7 gruppi) non sempre è sufficiente per la stima efficace della variabilità della risposta sismica e sarebbe necessaria una larga campagna di validazione dei criteri di selezione. Si conclude rilevando che l‟EC 8 in merito all‟uso di accelerogrammi per le analisi dinamiche non lineari è molto simile all‟OPCM 3274. L‟EC 8, oltre che definire forme spettrali diverse per alcuni suoli rispetto all‟OPCM 3274, è più restrittivo di quest‟ultima imponendo anche un vincolo sul PGA (Peak Ground Acceleration) medio delle combinazioni.

Bommer e Acevedo [2004] nella loro pubblicazione descrivono anche la possibilità di utilizzare due tecniche per poter rendere spettro compatibili gli accelerogrammi naturali. Le tecniche definite non dichiarano di avere basi geofisiche e il loro scopo è di ottenere una serie di registrazioni con bassa variabilità in modo da ridurre il numero di analisi strutturali necessarie per ottenere un risultato stabile.