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Dispense del corso online
Progettazione geotecnica in condizioni sismiche:
caratterizzazione dei suoli e problemi di stabilità.
17/05/2016
Docente: Ing. Angelo Silvio Rabuffetti
GC06
1
INDICE
Premessa
Riferimenti Bibliografici
1. CARATTERI GENERALI DEI SISMI
1.1 Introduzione
1.2 Le onde sismiche
1.3 Intensità, Magnitudo, energia
1.4 Sismogrammi e accelerazioni di picco
1.5 Altre caratteristiche dei terremoti. Durata, cadenza, probabilità
1.6 Effetto del moto sismico sui terreni e analisi simica locale
2. L’APPROCCIO DELL’INGEGNERA ANTISISMICA
2.1 Introduzione
2.2 La pericolosità sismica
2.3 L’analisi locale mediante i metodi semplificati di normativa e la definizione dei amax
2.4 Le analisi progettuali in campo sismico
2.5 Progettazione agli Stati Limite
3. LE VERIFICHE DI STABILITA’ DEL SITO
3.1 Introduzione
3.2 La stabilità dei pendii
3.2.1 Metodi Pseudostatici
3.2.2 Metodo semplificato per la valutazione degli spostamenti del blocco rigido (metodo di Newmark)
3.3 Il fenomeno della liquefazione
3.3.1 Verifiche geotecniche del potenziale di liquefazione
3.3.1.1 Metodi empirici con riferimento alle prove in sito
3.3.1.2 Correlazione con la velocità delle onde di taglio
3.4 Il decadimento delle caratteristiche di resistenza a taglio e di rigidezza. La resistenza residua post-liquefazione
3.4.1 Materiali granulari: ghiaie, sabbie e limi non plastici
3.4.2 Limi e argille
3.4.3 Stima dei cedimenti
4. PROBLEMATICHE GEOTECNICHE E FONDAZIONALI
4.1 Problemi di spinta delle terre
4.2 Spinte dovute al terreno nel caso dei muri paraterre
4.2.1 Considerazioni sulla presenza di acqua nel terreno
4.3 Componenti delle azioni sismiche e punti di applicazione
4.4 Spinte idrodinamiche libere
4.5 Le paratie secondo la normativa italiana e l’Eurocodice
4.6 Scavi diaframmati e sistemi di ancoraggio
4.7 Problematiche di fondazione
4.7.1 Le fondazioni dirette
4.7.1.1 La formulazione analitica
4.7.2 Le palificazioni
5. INDAGINI GEOTECNICHE E PARAMETRI PER LE VERIFICHE SISMICHE
5.1 Introduzione
5.2 Prove geofisiche
5.2.1 Alcune classificazioni dei tipi di prova
5.2.2 Le prove in foro
5.2.3 Metodi di prova non invasivi
5.2.4 Metodi “passivi”
5.3 Prove di laboratorio
5.3.1 Tipi di prova e relativi risultati
5.4 Correlazioni empiriche tra NSPT e VS
6. RISPOSTA SISMICA DEI TERRENI E L’INTERFACCIA CON LA COSTRUZIONE IN ELEVAZIONE
6.1 Introduzione
6.2 Lo spettro elastico sismico in accelerazione
6.3 Cenni sull’implementazione di uno spettro sismico
6.4 La costruzione degli spettri di risposta sismica secondo la normativa italiana e gli Eurocodici
6.5 Ulteriori fattori che influenzano gli spettri di progetto di normativa
2
7. FREQUENZA E PERIODO DI OSCILLAZIONE NATURALI DEI SUOLI
7.1 Introduzione
3
Premessa
Il corso affronta la caratterizzazione sismica dei suoli, sia come individuazione dei criteri di analisi della
risposta sismica locale, sia come valutazione della stabilità del sito. Vengono demarcati i confini dell’analisi
secondo i metodi di normativa rispetto ad approcci alternativi basati su elaborazioni numeriche dirette. Le
prescrizioni delle NTC sono compendiate in maniera organica, fornendo in parallelo cenni di utilizzo di programmi
per l’analisi sismica locale formale facilmente reperibili sul mercato (EERA).
Vengono chiariti i termini di esecuzione dell’analisi di stabilità dei pendii con i metodi più o meno tradizionali,
approfondendo in alternativa il metodo degli spostamenti del corpo rigido di Newmark, previsto dalle NTC.
Il profilo di stabilità del sito è completato con l’analisi del potenziale di liquefazione, che viene affrontato sia
utilizzando il metodo analitico, sia facendo ricorso alle carte di liquefacibilità in funzione delle risposte
penetrometriche in sito e ai profili di velocità delle onde di taglio.
Completa il corso una disamina delle più diffuse prove in sito (MASW, SASW, REMI, ecc.) per la definizione dei
principali parametri sismici dei terreni.
Bibliografia
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4
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21. Lai C. G., Rix G. J., Foti S., Roma V., (2002) "Simultaneous measurements and inversion of surface wave
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30. Prakash, S., (1981) "Soil Dynamics" - Mc Graw Hill Books
31. Rabuffetti A. S. (2010) "Fondazioni Superficiali. Progetto e calcolo geotecnico secondo le nuove NTC" DEI Edizioni
del Genio Civile – Roma
32. Rabuffetti A. S. (2011) "Manuale di Progettazione Geotecnica" DEI Edizioni del Genio Civile - Roma
33. Rabuffetti A. S. (2012) "Manuale di Geotecnica avanzata" DEI Edizioni del Genio Civile - Roma
34. Rampello S., Callisto L. (2008) "Stabilità dei pendii in condizioni sismiche" in Opere geotecniche in condizioni
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41. Strobbia C., (2010) "Caratterizzazione geotecnico-sismica dei siti di costruzione. Tecniche di prospezione geofisica"
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42. Whitman, R., Liao, S., (1985) "Seismic design of retaining walls" - Miscellaneous paper GL-85-1 - USACE
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43. Wijewickreme, D., Sriskandakumar, S., Byrne, P.M. (2005) "Cyclic Loading Response of Loose Airpluviated Fraser
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44. Youd, T. L., Idriss, I. M., Andrus, R. D., Arango, I., Castro, G., Christian,J. T., Dobry, R., Liam Finn, W. D.,
Harder, L. F., Jr., Hynes, M. E.,Ishihara, K., Koester, J. P., Laio, S. S. C., Marcuson, III,W. F., Martin,G. R.,
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resistance of soils: Summary report from the 1996 NCEER/NSF workshops on evaluation of liquefaction resistance of
soils." J. Geotechnical and Geoenvironmental Engineering – 124 (10)
5
1. CARATTERI GENERALI DEI SISMI
1.1 Introduzione
Le cause dei terremoti sono riconducibili ai movimenti delle placche che generano frizioni nei punti di contatto. I
bordi e le spaccature tra una placca e l’altra costituiscono le faglie sismiche lungo le quali si libera più
frequentemente energia cinetica che provoca scuotimenti.
Raramente si registrano terremoti interplacca, posti a distanza considerevole dai bordi. Nella Figura 1 (dal sito
http//:denali.gsfc.nasa.gov/dtam/seismic/) sono raffigurati gli epicentri dei principali terremoti registrati nel
mondo negli anni 1963-1998. L’immagine evidenzia i contorni delle principali placche continentali.
Figura 1 - Determinazione preliminare della posizione degli epicentri di 358.214 eventi registrati negli anni tra il 1963 e il 1998
(fonte: NASA).
In una scala inferiore, i bordi delle placche delineano le zone simiche locali che interessano ciascuna regione,
come per per il nostro Paese in Figura 2. Nell’immagine sono delineati i contorni della microplacca adriatica con
indicazione degli slittamenti (slip) registrati sotto forma di frecce e le zone sismogenetiche risultano segnalate
mediante regioni puntinate (Anderson e Jackson, 1987). Dati sui terremoti sono pubblicati a scopo di prevenzione
anche in Italia su vari siti, per lo più censiti dall’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (www.ingv.it).
Siti coinvolti nella rete di mappatura sismica del suolo italiano, collegati in vario modo all’INGV, sono i seguenti:



http://cnt.rm.ingv.it/earthquakes_map.html (sismi con magnitudo maggiore di 2);
http://iside.rm.ingv.it/iside/standard/index.jsp (data base nazionale di riferimento, all’interno del quale si
colloca il Bollettino sismico italiano a partire dal 16 aprile 2005);
http://shakemap.rm.ingv.it/shake/index.html (data base delle accelerazioni registrate al suolo, anche in
forma di mappe).
6
Figura 2 - Alcune caratteristiche della microplacca adriatica (Fonte: INGV)
Le informazioni che si attingono da questi siti sono di vario tipo, e vanno dalla catalogazione su base storica a
quella in funzione delle magnitudo calcolate. Particolarmente interessanti risultano le mappature locali in termini
di peak ground acceleration (PGA), che può essere stata rilevata strumentalmente durante l’evento, oppure
ricalcolata in base ai dati sperimentali. Per peak ground acceleration si intende l’accelerazione prodotta da un
dato sisma e registrata con un accelerometro installato direttamente sul suolo roccioso.
Un tipico meccanismo sismogenetico importante è costituito dalla subduzione (Figura 3), dove gli attriti tra le
placche generano un accumulo di energia che può avere effetti macroscopici che vanno dal riscaldamento dei
materiali con formazione di lava al rilascio improvviso di energia meccanica immagazzinata sotto forma di scossa
tellurica.
Figura 3 - Fenomeno della subduzione di due placche con traslazione di materiale verso il basso e generazione di calore per
attrito (fonte: Wikipedia)
Le principali definizioni che interessano la localizzazione di un evento sismico vengono brevemente richiamate in
Figura 4.
7
Figura 4 - Alcune definizioni sismiche
8
1.2 Le onde sismiche
La propagazione di onde sismiche avviene in tutte le direzioni e con contenuti di tipologie, ampiezze, forma
d’onda e frequenze molto ampli. Un tipico accelerogramma sismico contiene vari tipi di onde: a titolo
esemplificativo in Figura 5 sono rappresentati i principali.
Le onde di tipo “P”, primarie e normalmente di compressione, provocano un movimento oscillatorio nella
direzione di propagazione.
Figura 5 - Alcuni tipi di onde sismiche e relative direzioni di propagazione
Le onde di tipo “S”, o secondarie, normalmente di taglio, provocano oscillazioni perpendicolari alla loro direzione
di propagazione, e possono essere generate con un martello che batte in direzione ortogonale alla direzione
considerata.
Le onde “P” e “S” esplicano il loro effetto a livello della massa del medium (terreno) attraversato e sono dette
onde volumetriche o onde di corpo (body waves). Gli altri tipi di onde mostrati in Figura 5 costituiscono le
onde di superficie (tipo “L”), agenti dove la massa del medium ha termine interfacciandosi con l’atmosfera (onde
di Rayleigh e onde di Love).
In un moto ondulatorio di tipo Rayleigh le particelle vicine alla superficie libera subiscono un moto ellittico
retrogrado (ovvero con rotazione opposta al moto), come mostrato in Figura 5c. L’ampiezza dell’oscillazione
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decresce all’aumentare della profondità. Le onde di Love hanno un comportamento complesso che assomma in
una certa misura quello degli altri tipi di onda.
Nella meccanica dei solidi è possibile determinare la celerità di propagazione di diversi tipi di onde. In geotecnica
sismica le onde più veloci sono le onde P, per le quali la velocità di propagazione VP in un mezzo di densità ρ, di
modulo di taglio G e coefficiente di Poisson ν vale:
La velocità di propagazione delle onde secondarie, VS, viene determinata come segue:
Il rapporto tra le due velocità è dato da:
e, per valori realistici del coefficiente di Poisson, è sempre maggiore di 1. Nei problemi di geotecnica il
coefficiente di Poisson non può per definizione assumere valori maggiori di 0.5. Per ν = 0.25, si ottiene un
rapporto VP / VS = 1.73, valore spesso utilizzato come stima preliminare.
Nella pratica sismica, la velocità di trasmissione delle onde, ed in particolare la velocità VS, è un dato di rilevante
importanza. La determinazione avviene in vari modi, mediante misurazioni dirette oppure tramite correlazioni.
Alcuni metodi di determinazione delle velocità delle onde sismiche, in particolare di quelle di taglio, sono
presentati nel Paragrafo 4.
10
1.3 Intensità, Magnitudo, energia
I terremoti sono normalmente descritti e classificati in base alle caratteristiche che ne definiscono la dimensione
in termini energetici: intensità, Magnitudo ed energia liberata.
L’intensità di un sisma è la più antica forma di misura, basata su alcuni effetti empirici e/o da reazioni umane
tipicamente rilevabili. Le scale empiriche correlano alcune evidenze più o meno oggettive o soggettive, come la
percezione di vibrazioni da parte degli animali e delle persone, il grado di danno alle costruzioni, l’ampiezza
percepita del fenomeno, a certi gradi crescenti di intensità. Appartengono a questa categoria le scale di
misurazione del tipo Mercalli Modificata (MMI), la Rossi-Forel (RF), quella dell’Agenzia Meteorologica
Giapponese JMA e la Medvedev-Sponheuer-Karnik (MSK) usata nell’Europa orientale. Per lo più tali metodi di
misurazione sono attualmente superati, in quanto non permettono di distinguere gli effetti delle caratteristiche
energetiche dei sismi dalla qualità delle costruzioni sotto osservazione (i terremoti vengono definiti più intensi
laddove sono registrati maggiori danni), non risultando immuni da fattori psicologici soggettivi.
Le scale di Magnitudo sismica sono anch’esse a carattere empirico, ma si basano su misure di quantità fisiche
rilevate durante l’evento mediante appositi strumenti. Esse forniscono rappresentazioni abbastanza obiettive delle
caratteristiche dei terremoti, anche se alcuni metodi mostrano limiti in presenza di sismi di maggiore entità. Le
quantità misurate durante i sismi sono di norma gli spostamenti, le velocità oppure le accelerazioni.
La scala locale di Magnitudo di Richter, proposta in California nel 1958, fornisce una definizione a carattere locale
per terremoti con ipocentri non troppo profondi (fino a qualche decina di km) e distanze epicentrali fino a 600 km.
Si definisce la Magnitudo locale o Richter come segue:
dove
A = traccia di ampiezza massima (spostamento massimo), in micron, registrata da un sismometro standard
tipo Wood-Anderson (WA) situato a 100 km di distanza dall’epicentro.
La scala Richter presuppone la definizione del punto esatto dell’epicentro, rispetto al quale valutare la
distanza. Lo strumento WA genera dei sismogrammi di spostamento, di norma nell’intervallo tra 0.1 e 120 mm,
perciò con un limite superiore che interessa eventuali spostamenti più ampi. Nei fatti si determina in questo modo
una “saturazione” della scala, che al di sopra del valore ML = 7.0, perde di definizione. Per tale motivo la scala
Richter è da ritenersi superata, anche se viene spesso citata come comodo riferimento.
Un secondo tipo di misurazione fa capo alla cosiddetta Magnitudo delle Onde Superficiali MS, che descrive
eventi superficiali (aventi profondità focale < 70 km) e comunque arealmente distanti (distanza epicentrale > 1000
km), di importanti dimensioni.
Essa è definita come segue:
dove
A = spostamento massimo del terreno
Δ = distanza epicentrale / circonferenza terrestre * 360°
Un terzo tipo di scala è quella di Magnitudo delle Onde Volumetriche, detta MB, basata sulla rilevazione delle
ampiezze dei primi cicli delle onde tipo “P”. La misurazione coglie in particolare le caratteristiche dei terremoti con
ipocentro profondo ed è definita come segue:
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dove:
A = ampiezza delle onde “P” in μ
T = periodo delle onde “P”, pari a circa 1 sec
Δ = distanza epicentrale / circonferenza terrestre * 360°
Un ulteriore metodo è quello della Magnitudo Momento M W, che offre il pregio di risultare slegata da misurazioni
di spostamenti e quindi non essere soggetta a “saturazione”. Come detto, i calcoli basati sugli spostamenti
introducono problematiche oltre certi valori di Magnitudo, comuni a tutti i metodi precedenti in quanto considerano
letture strumentali dei sismografi WA, limitati a certi intervalli di spostamento (120 mm). La Magnitudo Momento
dipende dal momento sismico M0 ed è definita come segue:
dove:
M0 è espresso in dyn·cm (1 dyn = 10-5 N) e quantifica l’area della rottura causata dal sisma lungo la faglia,
insieme alla forza necessaria per vincere la resistenza del terreno:
dove:
μ = reazione a rottura del materiale lungo la faglia, assunta pari al modulo di taglio (32 GPa per la crosta
terrestre, 75 GPa per il mantello - sito http//:earthquake.usgs.gov/)
Ar = area della rottura, pari a L·W come mostrato in Figura 6
Ḏ = ammontare dello slittamento medio indotto
Figura 6 - Definizione dell’area Ar = L·W della rottura provocata dal sisma
La definizione della Magnitudo Momento si basa perciò su fattori che non possono essere registrati mediante
strumenti automatici come i sismometri e gli accelerometri.
Un aspetto interessante delle differenti definizioni delle Magnitudo è che si possono sovrapporre con sufficiente
approssimazione in certi campi definiti. Nei fatti, per MW < 6.2 si può considerare ai fini pratici MW = ML, ed inoltre
MW = MS per 6.2 < MW < 8.0 (Castellani e Faccioli, 2000).
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Per quanto riguarda l’energia complessiva E rilasciata dal terremoto, espressa in erg (1 erg = 1 dyn·1 cm), viene
stimata in base alla Magnitudo MS (oppure a MW) come segue (Canadian Foundation Engineering Manual, 2006):
Estratto delle dispense del corso online “Progettazione geotecnica in condizioni sismiche:
caratterizzazione dei suoli e problemi di stabilità” disponibile sulla piattaforma e-learning per professionisti
tecnici Geocorsi®.
Ogni corso è valutato in termini di crediti formativi nelle misure previste dai Consigli Nazionali dell'area
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