EFFETTI DI SITO E FENOMENI DI INSTABILITÀ
INDOTTI DAI TERREMOTI NEI DEPOSITI E NEI PENDII
Teresa Crespellani
Dipartimento di Ingegneria Civile - Università di Firenze
SOMMARIO. Nel contesto degli studi per la mitigazione degli effetti dei terremoti, è ormai
opinione concorde che le azioni sismiche di progetto per le costruzioni debbano essere
inclusive degli effetti di sito, e che la previsione dei fenomeni di instabilità che possono
essere indotti dai terremoti nei depositi e nei pendii (liquefazione, densificazione,
movimenti franosi) debba essere condotta con metodi quantitativi basati su parametri
sismici e geotecnici realistici e affidabili.
Le conoscenze sul comportamento dei terreni in condizioni di carico dinamico e
ciclico, ottenibili con prove in sito e in laboratorio, e l’impiego di modelli, contribuiscono
in modo decisivo a spiegare e prevedere i complessi processi dinamici d’interazione che
possono innescarsi in un dato sito fra onde sismiche e terreni, e permettono oggi di stimare
in modo quantitativo i parametri indispensabili per tenere in conto in modo adeguato degli
effetti di sito. La considerazione di tali effetti a scala urbanistica comporta tuttavia una
molteplicità di indagini multidisciplinari, che richiedono azioni coordinate e congiunte non
solo fra specialisti delle varie discipline ma anche con tecnici e amministratori degli enti
preposti al governo del territorio.
Nel presente lavoro vengono presentati, alla luce delle trasformazioni in atto nel campo
della difesa dai terremoti, i nessi fra aspetti sismologici, geotecnici, strutturali, e tra
questioni scientifiche, tecniche e normative che chiamano in causa l’ingegneria geotecnica
sismica per la messa in conto degli effetti di sito.
1. PERICOLOSITÀ SISMICA, EFFETTI DI SITO E VULNERABILITÀ DELLE
COSTRUZIONI: CONCETTI INTRODUTTIVI E TRASFORMAZIONI IN ATTO
Nel corso degli ultimi vent’anni, la scienza dei terremoti e in particolare l’ingegneria
sismica hanno attraversato una trasformazione tecnico-scientifica non meno straordinaria
di quella che ha visto nascere e svilupparsi a scala mondiale, tra gli anni ‘50 e ‘70, i primi
metodi ingegneristici di approccio al problema della difesa dai terremoti e le prime
normative sismiche per la protezione delle nuove costruzioni. Benché in linea di continuità
con la precedente, la nuova svolta è per metodi e contenuti molto diversa, e introduce tre
importanti elementi di novità.
1. Il primo aspetto innovativo riguarda le costruzioni, e sta nel riconoscimento
dell’importanza della protezione sismica del patrimonio esistente. Soprattutto nei paesi di
antica nascita, come la maggior parte dei centri abitati del nostro paese e dell’Europa, il
patrimonio costruito esistente, anche quello minore, è in molti casi di grande rilevanza
storica e culturale, e si inserisce in contesti ambientali anch’essi di notevole pregio.
Occorre perciò, anche per motivi di continuità storica, proteggere tale patrimonio per
intero, includendo monumenti, edifici pubblici e privati, attività produttive, infrastrutture e
risorse paesaggistiche. Ma salvaguardare un patrimonio artistico, culturale, ambientale,
spesso assai vulnerabile all’azione sismica, e riguardante aree talora densamente abitate,
non solo pone problemi ingegneristici totalmente nuovi (messa a punto di criteri di
valutazione della pericolosità e vulnerabilità1, di tecniche di censimento, di indagini
storiche, sismologiche, geologiche, di ingegneria strutturale e geotecnica) ma richiede
interventi legislativi e attuativi di salvaguardia a vasta scala, che richiedono ricerche,
indagini, controlli sull’ambiente fisico e costruito, che presuppongono energie diffuse sul
territorio, e quindi operatori capaci di rilevare, leggere, interpretare i dati, per definire gli
hazard del sito, l’esposizione delle infrastrutture, la vulnerabilità degli edifici e dei
monumenti. Indagini e strategie che vanno legati alla storia, al territorio, al contesto, e
quindi non facilmente unificabili.
2. Il secondo aspetto di novità riguarda l’importanza assegnata al sito (inteso come area di
interesse ai fini ingegneristici e con dimensioni areali variabili da quelle di un manufatto a
quelle di un centro abitato) nella valutazione delle azioni sismiche che possono essere
trasmesse alle strutture. I danni osservati durante i terremoti mostrano sempre irregolarità e
variazioni, in molti casi riconducibili all’influenza dei fattori geomorfologici e geotecnici
di sito e agli effetti di doppia risonanza fra il modo di vibrare del terreno di fondazione e
delle strutture. Il futuro verso il quale inevitabilmente ci muoviamo è che la messa in conto
dei fattori di sito è essenziale per valutare realisticamente le azioni sismiche sulle
costruzioni. Terremoto e costruzione erano state, fino agli anni ’70, le due polarità su cui la
ricerca scientifica e la regolamentazione tecnica e normativa per la prevenzione avevano
concentrato i loro sforzi perché la filosofia che stava alla base era che la difesa dai
terremoti è legata esclusivamente alla scelta del terremoto di riferimento e alle
1
Vedi ad esempio Petrini et al. (1998)
caratteristiche sismo-resistenti delle sovrastrutture. Dai quesiti, perciò, sulla severità delle
azioni sismiche, sul dove, come e quando un terremoto avrebbe potuto colpire un dato
territorio, e sulla base essenzialmente della identificazione delle aree sorgenti sismiche e di
leggi di attenuazione valide per terreni duri, cioè della pericolosità sismica delle varie
zone, sono nate le prime zonazioni e classificazioni sismiche dei diversi territori nazionali.
Dagli interrogativi sulla morfologia strutturale più appropriata, sui collegamenti strutturali
più efficienti, sulla risposta sismica delle costruzioni ai vari possibili input sismici, cioè
sulla vulnerabilità delle costruzioni sono derivate le prime procedure ingegneristiche di
valutazione del rischio sismico (inteso come prodotto fra pericolosità sismica dell’area e
vulnerabilità delle costruzioni) e le norme tecniche a scala nazionale per la protezione
sismica delle nuove costruzioni.
Seguendo l’evoluzione delle ricerche sismologiche e geotecniche, e anche delle
normative, a scala mondiale è facile notare la crescente importanza che, a partire dagli anni
‘70, viene assegnata a fattori riguardanti il sito e il terreno di fondazione. Questi, va
sottolineato, sono gli anni di nascita della Dinamica dei terreni, di quel ramo della
Geotecnica che ha fatto chiarezza sui principali meccanismi che sottostanno agli effetti di
sito e di instabilità dei depositi e dei pendii. Grazie agli sviluppi di questa disciplina è oggi
possibile raggiungere elevati livelli di protezione sismica delle costruzioni, attraverso
un’opportuna scelta dei siti, di spettri di progetto realistici e di tecniche fondazionali
appropriate alla natura delle interazioni fra struttura e terreno, ma anche attraverso
interventi di stabilizzazione del terreno e degli ammassi rocciosi. Soprattutto nei centri
storici, spesso arroccati su terreni acclivi, su bordi di ciglio, su creste sottili, affacciati su
dirupi instabili, e talora attraversati da faglie e discontinuità, cavità sotterranee, ecc. una
causa primaria di vittime e di danni è costituita dalla possibilità che durante i terremoti
avvengano movimenti franosi, cedimenti e collassi generalizzati, che possono coinvolgere
anche le costruzioni sismicamente più resistenti. Per ridurre tali effetti occorrono perciò
innanzitutto intervenire sui terreni di fondazione.
Terremoto, sito, e costruzione sono, oggi, i tre poli , ufficialmente riconosciuti, e
reciprocamente solidali, di ogni sistema di protezione nelle aree sismiche, e tutte le
normative tecniche a scala mondiale, hanno provveduto, o stanno provvedendo, seppure in
misura maggiore o minore, a introdurre criteri per la scelta dei siti, per la classificazione
dei terreni e dei depositi, per l’adozione di spettri diversificati per le varie categorie di
terreni, per la stima degli spostamenti e dei cedimenti in condizioni sismiche. Ma è
importante rilevare che quando si considerano gli effetti di sito sull’esposizione sismica di
un territorio il numero delle incognite cresce indefinitamente.
3. Infine, il terzo elemento che caratterizza la svolta in atto riguarda la normativa, e in
particolare i rapporti tra normative nazionali e sovranazionali, e tra normative nazionali e
direttive regionali. L’Europa, intesa come comunità scientifica e tecnica, da aspirazione sta
diventando realtà e sta modificando in modo decisivo, attraverso gli Eurocodici, le
politiche di prevenzione e le normative tecniche nazionali. Limitando l’attenzione
all’Eurocodice 8 (EC8), e osservando i contenuti del D.M.16.01.1996 è evidente che
l’adeguamento della normativa sismica italiana alle direttive europee comporterà degli
importanti cambiamenti nel modo di affrontare i problemi geotecnici delle zone sismiche.
Se osservata infatti sotto il profilo geotecnico - cioè delle prescrizioni relative ai siti, ai
terreni di fondazione e alle opere geotecniche la normativa sismica italiana risulta quanto
mai obsoleta, lacunosa, e non al passo con i tempi perché la filosofia che ne sta alla base è,
infatti, quella tipica degli anni ‘60, e che, come osservato in precedenza, lega la difesa dai
terremoti esclusivamente alla severità della minaccia sismica e alle caratteristiche sismoresistenti della costruzione. Un’analisi comparata dei due regolamenti anche molto
sintetica mette in luce la differente filosofia che li contraddistingue e sottolinea la ben più
avvertita sensibilità delle direttive europee al problema dell’influenza dei terreni sul
comportamento sismico delle costruzioni. Nell’EC8 (Martinetti, 1998; Maugeri e Castelli,
1998), infatti, viene assegnata una grande importanza al problema del ‘siting’, cioè delle
verifiche di stabilità nei depositi liquefacibili, nei depositi densificabili, nei terreni soffici,
nei pendii e nei rilievi dove possono aversi effetti topografici, specificando le indagini più
significative, i fattori geotecnici da mettere in conto (decadimento della resistenza per
effetto dei fenomeni di fatica, incremento delle pressioni interstiziali) e gli spettri di
progetto per le diverse classi di siti e di terreni. Vengono inoltre segnalati alcuni metodi di
stima per i vari tipi di problemi.
Pur essendo possibile muovere anche all’EC8 delle critiche di natura geotecnica su
punti specifici, la sua ‘traduzione’ nella normativa sismica italiana potrebbe portare a dei
notevoli progressi nell’innalzamento dei livelli di protezione, ma è importante sottolineare
potrebbe perché non è automatico che delle prescrizioni tecniche migliorino realmente una
prassi progettuale. Non solo per la maggiore o minore capacità dei singoli professionisti di
‘leggere’ dietro le righe delle prescrizioni di norma - sempre generalmente molto
semplificate rispetto alla complessità delle problematiche legate alla progettazione e alla
realizzazione delle opere - ma soprattutto perché per una corretta applicazione dell’EC8 la
base di ‘esperienze’ e di ‘conoscenze’ sul territorio dovrebbe essere, oltre che più
omogenea, molto più estesa di quella attuale.
Ma anche sul piano del rapporto fra Stato, regioni ed enti locali importanti cambiamenti
sono avvenuti, in Italia, negli ultimi vent’anni, nella ripartizione di competenze riguardanti
la protezione sismica,. Basti citare la legge 10.12.1981, n. 741, art. 20 che ha trasferito alle
regioni le competenze in materia urbanistica (e quindi in materia di microzonazione
sismica) e il Decreto legislativo 31 marzo 1998, n. 112, che nell’art. 94 specifica che,
seppure condizionati al trasferimento delle risorse economiche, sono conferiti alle regioni
e agli enti locali ‘l’individuazione delle zone sismiche, la formazione e l’aggiornamento
degli elenchi delle medesime zone’. Si tratta di una disposizione le cui conseguenze non
sono ancora ben valutabili, anche perché si inseriscono in un quadro legislativo molto
confuso, e, soprattutto, in un contesto culturale che in tema di preparazione tecnica per la
difesa dai terremoti è ancora in larga parte impreparato ad assolvere le nuove funzioni.
Sono, infatti, finora molto poche le regioni che hanno dato avvio a studi sistematici in
tema di politiche di protezione sismica. Fra queste, si possono citare, in primo luogo la
Regione Emilia- Romagna (Marcellini et al., 1998; Crespellani et al., 1998 b, 1997 c;
Vannucchi 1998) e la Regione Toscana (Ferrini, 1998; Petrini et al., 1995); ma anche, e
soprattutto dopo la sequenza sismica del 1997-98, la Regione Umbria e la Regione Marche
(Marcellini e Pagani, 1998). Si tratta di ricerche, condotte per lo più congiuntamente al
Gruppo Nazionale per la Difesa dai Terremoti (GNDT) del CNR e ad altri istituti di ricerca
(università, ISSR, ISMES) di grande rilievo per le metodologie adottate e per i risultati
conseguiti e conseguibili sia in termini di documenti pianificatori sia di direttive
specifiche.
Si può osservare infine che, essendo le norme e i criteri progettuali tradizionalmente
basati sull’esperienza, che ogni terremoto distruttivo contribuisce ad arricchire, si dà oggi,
in Italia, con il recente terremoto umbro-marchigiano, una preziosa occasione per
procedere a una revisione e al completamento della normativa esistente (anche in vista
della traduzione dell’Eurocodice 8) e per introdurre fattori di sito realistici negli spettri
della normativa.
Il problema della protezione sismica, non è solo un problema scientifico e tecnico ma
anche un problema politico, sociale e culturale .
2. VARIABILITÀ SPAZIALE DEGLI EFFETTI SISMICI
2.1 Osservazioni sperimentali
Osservazioni ormai innumerevoli provano che la variabilità spaziale dei danni e degli
effetti prodotti da un terremoto è sempre molto elevata, e che in molti casi una causa
importante è l’esistenza di condizioni locali sfavorevoli dei siti e dei terreni che possono
mettere in crisi anche strutture molto resistenti e progettate per resistere a forti terremoti.
E’ il caso dei pendii franosi, dei depositi argillosi soffici, dei terreni liquefacibili, dove
possono aversi effetti locali di instabilità, consistenti in veri e propri collassi e talora in
movimenti di grandi masse di terreno incompatibili con la stabilità delle strutture. Alcuni
scenari tipici sono illustrati in Figura 1 : movimenti franosi nei pendii, scorrimenti e
cedimenti differenziali in corrispondenza di contatti geologici o di faglie, scivolamenti e
rotture nel terreno, fenomeni di liquefazione nei terreni granulari fini saturi, fenomeni di
subsidenza in corrispondenza di cavità, ecc.
Ma vi sono anche altre condizioni, meno spettacolari e meno facilmente riconoscibili,
che possono essere molto gravose per le sovrastanti strutture e infrastrutture. Sono quelle
in cui, a causa di particolari condizioni locali, le caratteristiche vibratorie dei movimenti
sismici possono subire modificazioni ed esaltazioni locali. Tali effetti vengono indicati
nella terminologia sismica come effetti di sito; con il termine ‘condizioni locali’ si intende,
invece, l'insieme dei fattori geomorfologici e geotecnici che interagendo con le onde
sismiche possono modificare, rispetto allo scuotimento che si avrebbe sulla roccia
sottostante (bedrock), le caratteristiche vibratorie del moto sismico in superficie. Tali
fattori comprendono principalmente: la morfologia superficiale e sepolta, le caratteristiche
stratigrafiche, le proprietà geotecniche dei terreni in campo statico e dinamico. Gli effetti
di sito sono spesso all’origine di molti fenomeni di instabilità delle strutture, sia per
l’esaltazione locale delle azioni sismiche trasmesse dal terreno, sia perché possono aversi
anche fenomeni di ‘doppia risonanza’ fra modi di vibrare del terreno e della struttura.
Progressione
della frattura
a) Rottura di distacco
e
io
n
Tr
az
Gravità
Superficie
di rottura
Trazione
Superficie
di rottura
b) Sfogliamento di un versante
a stratificazione verticale
Rigetto
a
Tr
a
sl
zio
ne
a) Traslazione orizzontale
b) Rigetto verticale
Superficie di
rottura potenziale
Strato
liquefacibile
Affondamento
potenziale
Superficie di
rottura potenziale
Figura 1 - Alcuni scenari di pericolosità legati agli effetti locali indotti dai terremoti
La recente crisi sismica iniziata il 26 settembre 1997 che ha interessato il territorio
umbro-marchigiano ha evidenziato in edifici di analoghe caratteristiche numerosi casi di
livelli di danno molto diversi, talora anche di due tre gradi di intensità MCS, su distanze di
poche centinaia di metri. A Cesi bassa, ad esempio, poggiata su depositi argillo-sabbiosi
pleistocenici e olocenici di origine lacustre e fluvio-lacustre dello spessore di 35 m, si è
avuta un’intensità macrosismica del IX grado MCS, mentre a Cesi Villa, costruita su roccia
ricoperta da una esigua coltre detritica consistente, si sono avuti danni piuttosto lievi,
classificabili del VII grado. Come messo in luce da Capotorti et al.(1997), da Marsan e
Gorelli (1997) e da Mucciarelli (1998), l’analisi dei dati strumentali relativi agli
aftershocks ha evidenziato brusche variazioni spaziali delle caratteristiche vibratorie dei
movimenti sismici nella direzione orizzontale, correlabili con la morfologia e le proprietà
dinamiche degli strati più superficiali. La variabilità del danno può quindi essere
attribuibile in molti casi ad effetti di sito, che esaltando il moto sismico possono avere
anche indotto rotture localizzate, quali movimenti franosi, o spostamenti e cedimenti del
terreno incompatibili con l’equilibrio delle costruzioni.
ONDE
P
2.2 Effetti di sorgente ed effetti del cammino di propagazione
Per comprendere la natura e la complessità dei fenomeni fisici associati alla
propagazione delle onde sismiche dalla sorgente al sito è utile riferirsi allo schema di
Figura 2.
Epicentro
S
ONDE
S
ON
DE
O OND
EP
RIF NDE
LE
SS
E
DE
ON
DI
RE
TT
E
O
RIF NDE
RA
TT
E
S
DE
ON
ES
OND
Ipocentro
ONDE R
OND
EP
S
DE
ON
Scorrimento
di faglia
OND
EP
Propagazione del
fronte d’onda
Figura 2 - Processi fisici associati alla propagazione delle onde sismiche dalla
sorgente al sito in un terreno ideale
Il terremoto è, come ben noto, associato all’accumulo di tensioni in particolari punti
della litosfera, fra le superfici a contatto di antiche faglie o in altre zone. Quando queste
tensioni superano la resistenza al taglio si hanno scorrimenti e rotture con liberazione di
energia sotto forma di onde sismiche di volume (onde P ed onde S). Queste onde si
irraggiano con velocità diverse in tutte le direzioni con fronti d’onda all’incirca sferici. Si
ha perciò una progressiva attenuazione dell’energia contenuta dalle onde sismiche di
natura geometrica (radiation damping).
Nel loro cammino le onde sismiche subiscono anche altre modificazioni, che sono
legate a fenomeni di riflessione e rifrazione in corrispondenza dell’interfaccia fra strati di
caratteristiche diverse (attenuazione per scattering) e allo smorzamento interno dei terreni
(material damping). Ne consegue un’ulteriore attenuazione del contenuto energetico con la
distanza e una ‘verticalizzazione’ della direzione di propagazione delle onde sismiche.
Se in superficie si avesse un terreno ideale (Figura 3), cioè duro e pianeggiante, gli
effetti in superficie di questi fenomeni fisici sarebbero essenzialmente associati alla :
1) sorgente (cioè alla quantità di energia liberata, ai meccanismi focali, alla lunghezza
della frattura, agli scorrimenti di faglia, ecc.)
2) cammino di propagazione (cioè alla distanza ipocentrale e ai processi fisici di
attenuazione dell’energia del movimento sismico).
MOVIMENTI
FORTI
SITO 0
I0
(Danni importanti)
MOVIMENTI
DEBOLI
SITO 1
SITO 2
I1
I2
(Danni medi) (Danni leggeri)
Terreno duro
Scorrimento
di faglia
Substrato roccioso
Ipocentro
Fronte d’onda
Figura 3 - Attenuazione del danno in un terreno ideale
SITO 3
I3
(Nessun danno)
In questo caso, la severità del danno rilevato durante il terremoto in edifici di analoghe
caratteristiche strutturali sarebbe una funzione regolare e decrescente con la distanza
dall’epicentro, e le registrazioni strumentali dell’evento sismico dovrebbero segnalare
anch’essi, con la distanza, andamenti regolari (cioè progressiva riduzione dei picchi,
progressivo incremento della durata, aumento delle basse frequenze, ecc.).
Per potere fare delle previsioni sul moto sismico e sul danno atteso in un dato sito
sarebbe sufficiente:
1) definire la distribuzione spaziale (aree sorgenti) e temporale dei terremoti
(distribuzione frequenza-magnitudo)
2) applicare delle leggi di attenuazione ricavate su basi statistiche.
Le leggi di attenuazione sono delle relazioni empiriche che, nell’ipotesi di terreno
ideale duro e pianeggiante, permettono di ricavare il valore di un dato parametro
rappresentativo del moto sismico (accelerazione massima, velocità, spostamento, ecc. o
anche intensità macrosismica, periodo fondamentale, durata) in un dato sito, noto l'analogo
valore del parametro in corrispondenza dell'epicentro (o dell'ipocentro). Tali relazioni
hanno in genere una forma del tipo:
log y = a + b ⋅ M − c ⋅ log( R + C)
(2.1)
dove è:
y il parametro rappresentativo del moto
M la magnitudo
R la distanza dalla sorgente o dall'epicentro
C un fattore di correzione per introdurre una maggiore o minore attenuazione
a, b, c dei coefficienti empirici
E’ da notare che in letteratura è disponibile un gran numero di leggi di attenuazione2,
alcune ottenute con dati strumentali provenienti da vari paesi (Stati Uniti, Giappone, ecc.),
altre con dati regionali. Sulla base di tali leggi vengono effettuate le zonazioni sismiche
del territorio nazionale, cioè le suddivisioni a grande scala del territorio in base alle
caratteristiche di distribuzione spaziale e temporale dei terremoti e della attenuazione dei
loro effetti con la distanza.
2.3 Effetti di sito
2.3.1 Variazione spaziale del moto sismico nella direzione orizzontale
Ma i terreni reali (Figura 4) sono ben diversi dallo schema di terreno duro e
pianeggiante di Figura 3. Variazioni irregolari e spesso brusche del moto sismico nella
direzione orizzontale sono osservabili in occasione di ogni terremoto, quando si correlano
i parametri del moto con la distanza epicentrale. In Tabella 1 si possono, ad esempio,
osservare le variazioni del picco di accelerazione PGA con la distanza epicentrale relative
alla scossa delle 11.40 del 26 Settembre 1997, che mostrano un andamento molto
irregolare. La dispersione dei dati è ancora più facilmente rilevabile nella Figura 5 dove si
2
Alcune di esse introducono un parametro indicativo della natura del terreno (roccia o deposito)
vede che adattando ai dati una legge di attenuazione molti punti - e in particolare il valore
del PGA registrato a Nocera Umbra - se ne discostano in modo sensibile.
Il modo più efficace per rilevare le differenti risposte dei siti e dei terreni e la loro
variabilità areale è certamente quello di ‘misurarle’ (Marcellini e Pagani, 1998; Marsan,
1998).
Le osservazioni sperimentali ottenibili con reti accelerometriche (o velocimetriche)
fisse e mobili e la loro interpretazione costituiscono una sorgente di informazioni
fondamentale e insostituibile. In Italia la rete accelerometrica nazionale, realizzata
dall’ENEL-ENEA e oggi trasferita al Servizio Sismico Nazionale, ha registrato un gran
numero di terremoti e di successive scosse. Tali registrazioni si riferiscono a stazioni poste
su siti di caratteristiche morfologiche e geotecniche molto diverse e costituiscono perciò un
archivio di dati di grande interesse per ricercatori e operatori. In Figura 6 si possono
osservare ad esempio le condizioni geomorfologiche delle stazioni attivate dal terremoto
dell’Irpinia. Tuttavia senza studi approfonditi di ingegneria geotecnica sulle caratteristiche
stratigrafiche e sulle proprietà dinamiche dei terreni sottostanti le stazioni di registrazione,
la sola interpretazione sismologica non permette né di spiegare né di mettere in conto in
modo realistico gli effetti di sito negli spettri di normativa. In particolare non è possibile
capire adeguatamente gli effetti di filtraggio dei depositi e le variazioni del moto sismico
nella direzione verticale.
Effetti amplificativi
ai bordi di terrazzi
Crolli di roccia
Effetti topografici
Ribaltamenti
Scorrimento
di faglia
Movimenti traslativi
di banchi rocciosi
Liquefazione di
sabbie sature
Movimenti
franosi
Effetti amplificativi
per risonanza
Figura 4 - Scenari dove si possono avere brusche variazioni spaziali delle
caratteristiche vibratorie del moto sismico nella direzione orizzontale e
verticale
Tabella 1 - Picchi di accelerazione delle componenti del moto registrati durante la scossa
delle 11.40 del 26 Settembre 1997 (Decanini et al., 1997)
STAZIONE
Colfiorito
Nocera Umbra
Matelica
Catelnuovo (Assisi)
Monte Fiegni
Bevagna
Gubbio (Piana)
Gubbio
Cascia
Forca Canapine
Pietralunga
Cagli
Leonessa
Rieti
Senigallia
Peglio
Pennabilli
DIST. FAGLIA
[km]
PGA – NS
[g]
PGA VT
[g]
PGA EW
[g]
2.4
4.7
20.8
23.1
23.7
25.5
30.3
33.4
34.2
38.0
47.3
50.1
50.5
65.0
71.1
73.0
91.1
0.278
0.556
0.111
0.222
0.028
0.083
0.100
0.056
0.028
0.056
0.039
0.020
0.028
0.018
0.039
0.067
0.020
0.167
0.417
0.056
0.039
0.017
0.039
0.070
0.033
0.014
0.017
0.028
0.020
0.028
0.008
0.017
0.028
0.020
0.306
0.500
0.111
0.167
0.028
0.067
0.100
0.083
0.014
0.056
0.056
0.020
0.028
0.018
0.028
0.067
0.020
Figura 5 - Attenuazione con la distanza dall’epicentro dei picchi di
accelerazione massimi registrati durante la scossa delle
11.40 del 26 Settembre 1997 (Decanini et al., 1997)
Figura 6 - Differenti condizioni locali delle stazioni accelerometriche
attivate dal terremoto dell’Irpinia del 23 Novembre 1980
(Da Cecconi, 1997)
2.3.2 Variazioni delle caratteristiche del moto sismico nella direzione verticale ed
effetti di filtraggio nei depositi.
E’ ben noto che le variazioni più significative del moto sismico avvengono passando
dalla base dura o rocciosa (bedrock) alla superficie dei depositi. I complessi meccanismi di
interazione fra onde sismiche e terreni che avvengono negli ultimi strati di terreno non
possono che essere spiegati che attraverso approfondite conoscenze sul comportamento
dinamico e ciclico dei terreni (Lo Presti, 1998) e l’impiego di modelli (Lanzo, 1998).
Per un orientamento generale è utile osservare le variazioni del moto sismico ottenute
in un foro strumentato.
La Figura 7 mostra le registrazioni accelerometriche delle componenti NS ottenute a
diverse quote a Lotung, Taiwan, in un foro di sondaggio opportunamente attrezzato con
accelerometri e piezometri, disposti a varie quote. Le registrazioni si riferiscono ad un
evento di magnitudo locale ML = 7 (Elgamal et al., 1997) e sono state ottenute ad una
distanza epicentrale di 77 km. Procedendo dal basso verso l’alto è facile osservare una
crescente amplificazione dei picchi di accelerazione e marcate variazioni del contenuto in
frequenza del segnale. Inoltre alla quota di 6.3 m si può osservare a partire da un certo
istante un brusco incremento delle pressioni interstiziali.
Figura 7 - Storie di accelerazione in superficie e alle profondità
di 6 m, 11 m, 17 m, e andamento delle pressioni
interstiziali registrati a Lotung, Taiwan (Elgamal et al,
1997)
Usando dei semplici modelli (nel caso specifico il modello della trave a taglio) è
possibile valutare ad ogni quota l’andamento degli sforzi di taglio indotti dal terremoto e
quello delle ampiezze degli sforzi di taglio. Questi andamenti sono riportati sul piano τ, γ
nella Figura 8 che la forma dei cicli è sempre più coricata passando dal basso verso l’alto
(il che significa un comportamento sempre più isteretico). Nella Figura 9 si può osservare
l’andamento della deformazione di taglio γ e del modulo di taglio lineare equivalente G. Si
può osservare che il decadimento del modulo di taglio è molto più accentuato in
corrispondenza della fase forte e che l’incremento brusco delle pressioni interstiziali si ha
quando la deformazione di taglio raggiunge il valore di picco.
Figura 8 - Andamento dei cicli sforzi-deformazioni
in
superficie e alle profondità di 6 m, 11 m a
Lotung, Taiwan (Elgamal et al., 1997)
2.4 Comportamento dei terreni in condizioni dinamiche e cicliche
2.4.1 Domini di comportamento
Gli effetti di sito durante i terremoti trovano spiegazione nel comportamento
dell’elemento di volume. Per questo motivo le indagini sismologiche non possono essere
separate dalle indagini e dalle analisi geotecniche.
A causa della sua natura particellare e multifase, il terreno in presenza di carichi
dinamici e ciclici, modifica la struttura interna del suo scheletro solido. In condizioni non
drenate (quali quelle che si realizzano nei terreni saturi) e in presenza di terremoti forti,
queste modificazioni influenzano il regime delle pressioni interstiziali con un decadimento
delle proprietà di rigidezza e resistenza spesso così marcate e irreversibili da modificare a
loro volta il moto sismico. Il legame sforzi-deformazioni, in condizioni dinamiche cicliche,
ha una serie di complessità, legate alla natura coesiva o incoerente del terreno, alla storia di
carico precedente, allo stato di consistenza o di addensamento, alla presenza di sforzi di
taglio statici in aggiunta ai carichi dinamici e ciclici, alla velocità di applicazione dei
carichi dinamici, che solo attraverso trattazioni specifiche è possibile approfondire (Lo
Presti, 1998; Simonelli e Mancuso, 1988; Lanzo, 1998; Vannucchi, 1998; Cavalera e
Brancucci, 1998).
Figura 9 - Andamento delle ampiezze della deformazione di taglio in
superficie e alle profondità di 6 m, 11 m, 17 m, e
andamento del modulo di taglio γ a Lotung, Taiwan
(Elgamal et al., 1997)
Merita tuttavia sottolineare che il parametro fondamentale per definire il
comportamento di un terreno in presenza di carichi dinamici e ciclici è l’ampiezza
della deformazione di taglio raggiunta durante l’applicazione della storia di carico. Al
crescere dell’ampiezza della deformazione di taglio indotta dai carichi e in relazione al
rapporto con le due soglie caratteristiche per ogni terreno, lineare γl e volumetrica γv , si
identificano, infatti, i seguenti domini comportamentali :
1) un dominio elastico lineare (γ < γl ), caratterizzato da deformazioni permanenti
trascurabili e andamento dei cicli lineare e in cui il comportamento del terreno è
totalmente reversibile; durante un ciclo di carico, scarico e ricarico il terreno non ha
capacità dissipative; il comportamento del terreno è rappresentato dal valore del modulo
di taglio tangente iniziale G0 che rimane invariato durante l'applicazione dei cicli di
carico;
2) un dominio isteretico stabile (γl< γ < γv), in cui il legame sforzi deformazioni è elastico
non lineare; l'energia dissipata per ciclo non è nulla. Col progredire del numero dei cicli
la deformazione di taglio media tende a stabilizzarsi intorno ad un unico valore mentre
le pressioni interstiziali medie sono nulle. Il comportamento del terreno non può più
essere descritto solamente dal modulo di taglio, G, e deve essere introdotto un altro
parametro che descriva le proprietà dissipative del terreno. Il parametro che è stato
introdotto a tali fini è il rapporto di smorzamento, D, definito dalla relazione
∆W
D=
(2.2)
4 ⋅ π ⋅W
dove ∆W è l'area del ciclo di isteresi e W è l'energia elastica relativa alla traiettoria
rettilinea che collega l’origine con l’estremo del ciclo di isteresi. Modulo di taglio, G, e
rapporto di smorzamento variano con il livello deformativo raggiunto;
3) un dominio isteretico instabile (γ> γv), caratterizzato da un comportamento del terreno
decisamente non lineare; una volta superata la soglia di deformazione volumetrica, nella
struttura del terreno avvengono delle modificazioni irreversibili che diventano sempre
più importanti con il numero dei cicli di carico; le caratteristiche di deformabilità e di
dissipazione, rappresentate dai parametri G e D variano, oltre che con il livello
deformativo, con il numero dei cicli, N; nei terreni asciutti si accumulano deformazioni,
nei terreni saturi si accumulano deformazioni e sovrapressioni interstiziali e applicando
un numero crescente di cicli si può raggiungere la rottura. Per definire il legame sforzi
deformazioni in questo dominio occorre considerare la variabilità del modulo di taglio
G e del rapporto di smorzamento D con il livello deformativo e con il numero dei cicli,
e l'accumulo delle pressioni interstiziali con il numero dei cicli. Altri parametri debbono
essere introdotti per definire il decadimento della resistenza del materiale con il numero
1
dei cicli. Per valori γ > 5 ⋅10- % si entra in dominio di collasso incrementale, che a
livello di microstruttura corrisponde a una rottura generalizzata dei contatti fra le
particelle elementari di terreno con conseguenti scorrimenti, che a livello di
macroelemento, sono segnalati dallo sviluppo di grandi deformazioni.
2.4.2. Indagini sperimentali e modelli geotecnici per la valutazione degli effetti di sito
Il contributo che le prove geotecniche dinamiche in sito e in laboratorio offrono per la
determinazione degli effetti di sito e per il controllo della stabilità dei depositi e dei pendii,
sono l’oggetto di approfondimento specifico di questo corso e in particolare delle relazioni
di Lo Presti (1998), Simonelli e Mancuso (1998), Lanzo (1998), Vannucchi (1998),
Cavalera e Brancucci (1998), Madiai (1998), a cui si rimanda.
Un aspetto che merita sottolineare in questa sede è il fatto che non solo le prove
dinamiche ma tutte le prove geotecniche sono essenziali per la conoscenza degli effetti di
sito essendo necessaria una completa caratterizzazione del sottosuolo (Tabella 2). Inoltre,
soprattutto nel caso di vaste aree, le prove geotecniche tradizionali di tipo statico possono
offrire anche un primo contributo alla conoscenza del comportamento dinamico attraverso
l’impiego di correlazioni empiriche (Simonelli e Mancuso, 1998)
Tabella 2 - Informazioni per la caratterizzazione geotecnica del
sottosuolo e tipi di prove
INFORMAZIONI RICHIESTE
MEZZI DI INDAGINE
1. Profilo stratigrafico
Sondaggi geotecnici, prove in sito (CPT, CPTU,
DMT, DH, CH, SCPT, SASW)
2. Falde acquifere
Sondaggi geotecnici, piezometri, CPT
3. Proprietà indici
4. Storia dello stato tensionale
5. Caratteristiche meccaniche
6. Caratteristiche dinamiche
Terreni coesivi: prove di laboratorio
Terreni incoerenti: prove in sito (SPT, CPT,
CPTU, DMT)
Terreni coesivi: prove di laboratorio e SBP
Terreni incoerenti: prove in sito (SBP e DMT)
Terreni coesivi: prove di laboratorio e prove in sito
(FVT, SBP, CPT, CPTU, DMT, DH, CH, SCPT)
Terreni incoerenti: prove in sito (SBP, CPT,
CPTU, SPT, DMT, CH, DH, SCPT)
Terreni coesivi: Prove di laboratorio (RC, TTC,
TXC, TSC e prove in sito (DH,CH, SCPT, SASW)
Terreni incoerenti: prove in sito (DH,CH, SCPT,
SASW)
7. Caratteristiche di permeabilità Prove in sito, piezometri, SBP, CPTU
SPT
CPT
CPTU
FVT
DMT
SBP
CH
DH
SCPT
SASW
RC
TTC
TXC
TSC
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
Standard Penetration Test
Prova penetrometrica statica
Prova penerometrica statica con piezocono
Prova con lo scissometro autoperforante
Prova dilatometrica
Prova con il pressurimetro
Prova cross-hole
Prova down-hole
Prova con il cono sismico
Prova di Spectral Analysis of Surface Waves
Prova di colonna risonante
Prova di taglio torsionale ciclico
Prova triassiale ciclica
Prova di taglio semplice ciclico
3. GLI STUDI DI MICROZONAZIONE SISMICA
3.1 Obiettivi
Le riflessioni sulle evidenze sperimentali di danni imputabili alle condizioni
geomorfologiche e geotecniche del sito hanno portato a mettere a punto delle metodologie
per la valutazione degli effetti di sito e degli effetti locali alla scala urbanistica, e a definire
il tipo di indagini e di analisi numeriche indispensabili per raggiungere dei risultati
ingegneristicamente utili per la pianificazione del territorio e per la progettazione delle
costruzioni nelle zone sismiche.
L’insieme di tali studi costituisce uno studio di microzonazione sismica (MS) e
comprende generalmente studi sismologici, di ingegneria geotecnica e di ingegneria
strutturale.
Sulla base dell’analisi degli effetti prodotti dai terremoti occorsi in un dato territorio, di
osservazioni strumentali, di indagini geotecniche e di analisi numeriche, una volta fissato
un terremoto da cui proteggersi, uno studio di MS identifica gli scenari di pericolosità
sismica che possono essere indotti a scala locale dal terremoto di caratteristiche prefissate
(terremoto di progetto) pervenendo alla:
1) definizione areale delle zone dove possono aversi effetti locali di instabilità dei depositi
e dei pendii e zone dove possono aversi rotture del terreno a causa della vicinanza a
faglie e discontinuità (aree critiche);
2) suddivisione dell’area in zone al cui interno la risposta sismica è omogenea;
3) valutazione, nelle zone omogenee identificate, della risposta sismica locale in termini
utili per la progettazione delle opere ingegneristiche.
Il raggiungimento di tali obiettivi richiede ovviamente una grande quantità di ricerche
storiche, di indagini strumentali, geologiche, geotecniche, di analisi e di modellazioni, i cui
risultati si traducono in una mappa di uso ingegneristico a una scala che è in genere
variabile con il livello di accuratezza dell’indagine (Madiai, 1998; Crespellani et al.,
1997d).
Nella Figura 10 sono indicati in modo sintetico i passi e le operazioni scientifiche
fondamentali in cui si articola uno studio di MS. Come si può facilmente osservare, la MS
è un’operazione scientifica estremamente impegnativa, complessa e costosa, anche se offre
molti vantaggi sia in termini di innalzamento dei livelli di protezione sia di risparmio sulle
costruzioni.
Ma occorre sottolineare che uno studio di MS ha senso solo in quanto si traduce in
strumento di uso del territorio. Perciò non è solo un’operazione scientifica, è anche
un’operazione politicamente non neutra perché avendo costi elevati, è un’opzione che non
può essere che in alternativa ad altre opzioni.
Promuovere uno studio di microzonazione sismica a scala di centro urbano, per
un’amministrazione locale, significa, soprattutto in momenti di silenzio sismico, fare delle
scelte di priorità precise e coraggiose nella direzione della sicurezza, ma soprattutto nella
direzione di un radicamento nel territorio, della conservazione del patrimonio abitativo
esistente, della protezione dei monumenti, del paesaggio, della conoscenza del contesto
fisico e costruito. Significa destinare fondi e mettere in moto una macchina nella direzione
di acquisire conoscenze sulla storia e sulle caratteristiche del territorio attivando ricerche
sismologiche, geologiche, geotecniche, strutturali, formando tecnici capaci di rilevare,
leggere, interpretare i dati sull’esposizione sismica delle infrastrutture, sulla vulnerabilità
degli edifici e dei monumenti, catalogando gli edifici pubblici e privati più a rischio,
intervenendo con strumenti di piano, ma anche con consolidamenti dei terreni, con
ristrutturazioni e adeguamenti sismici, con restauri, pianificando anticipatamente
l’emergenza e il post-terremoto.
La microzonazione sismica rimanda perciò a una dimensione politica della protezione
sismica, ma anche a una scelta di modello di società. Viste da questa prospettiva, le
microzonazioni sismiche avviate recentemente da alcune regioni italiane sono un fatto
culturale e politico di grande rilievo.
3.2 Microzonazione sismica e normativa
In generale, tra normativa sismica nazionale e microzonazione intercorrono rapporti di
complementarietà di compiti. Nei vari paesi del mondo si osserva che dove gli studi di MS
non sono molto diffusi sul territorio è la normativa nazionale che si fa carico dei problemi
della pericolosità sismica legata al sito. Le norme sismiche francesi Normes NF P 06-013
(1998), contemporanee al D.M. 16. 01. 1996, sono ad esempio, estremamente attente ad
indicare i modi con cui tenere conto degli effetti dinamici dei terremoti nei siti e nei
terreni, nel fornire indicazioni progettuali per tenere conto delle condizioni stratigrafiche e
delle caratteristiche geotecniche dei terreni, della profondità di interramento delle
sottostrutture di fondazione sui modi di vibrare delle strutture in elevazione, ecc. In altre
zone del pianeta, dove invece gli studi di microzonazione sono diffusi, la normativa
sismica è rivolta esclusivamente a fornire i criteri di progettazione delle strutture.
Il rapporto tra normativa sismica e microzonazione è dunque un nodo cruciale perché si
tratta di strumenti di prevenzione che devono essere fra loro strettamente concatenati. In
Italia, invece, non solo questi strumenti non sono ancora coordinati ma, addirittura, nelle
norme sismiche in vigore, la microzonazione non é neppure nominata. Perciò per poter
rendere prescrittivi gli esiti di uno studio di microzonazione sismica occorrono degli
artifici. Il problema diventa poi particolarmente complicato sotto il profilo economico
quando le azioni sismiche previste da uno studio di microzonazione superano quelle
previste con l’applicazione delle norme tecniche, perché si apre il discorso della
ripartizione degli oneri di costruzione, di cui, secondo logica, dovrebbero farsi carico le
amministrazioni che traducono gli studi di microzonazione in strumenti di piano.
La normativa sismica italiana, di cui il D.M. 16.01.1996 costituisce l’ultima versione,
si è andata affermando, per effetto di contingenze storiche e culturali, come corpo di regole
tecniche per la progettazione delle costruzioni, con riferimenti ai problemi del sito e del
sottosuolo del tutto marginali, frammentari, indiretti, e sempre all’interno di altre
preoccupazioni. In termini molto semplificati, la normativa italiana prende in
considerazione la situazione della Figura 3 e, per quanto riguarda la protezione sismica, si
limita a considerazioni di minimo.
ANALISI DELLA
SISMICITÀ
Indagini
storiche
Indagini di
geologia
strutturale
ANALISI DELLE
CONDIZIONI LOCALI
Leggi di
attenuazione
Registrazioni
sismiche
Indagini
geofisiche
Indagini
geotecniche
CLASSIFICAZIONE DEI SITI
E CARATTERIZZAZIONE
GEOTECNICA
PERICOLOSITÀ
SISMICA
Analisi dati
accelerometrici
Indagini
geologiche
ACCELEROGRAMMI
DI RIFERIMENTO
ANALISI DEGLI
EFFETTI DI SITO
E DEGLI EFFETTI
LOCALI
Analisi del
danneggiamento
MICROZONAZIONE SISMICA
Figura 10 - Indagini e fasi di uno studio di microzonazione sismica
La microzonazione sismica, in quanto valuta quantitativamente gli effetti di sito e le
aree di possibili movimenti del terreno esamina la situazione di Figura 4, mirando ad
adeguare il livello di protezione alla minaccia sismica, alla natura dei siti e alla
vulnerabilità delle costruzioni.
Può perciò accadere che in alcune zone (o per alcuni edifici) la normativa sottostimi le
azioni sismiche che possono essere indotte dal terremoto di progetto, mentre in altre può
succedere il contrario. In molti casi si hanno le due cose insieme, nel senso che la
normativa può sottostimare le azioni sismiche negli edifici con periodi compresi entro una
certa fascia e sovrastimare quelle su edifici compresi in altre fasce. Le microzonazioni
condotte in Italia hanno evidenziato che nei nostri centri storici le costruzioni esistenti (di
pochi piani) sono spesso meno protette di quelle nuove (a molti piani) (AA.VV, 1981;
Vannucchi, a cura di, 1991; Crespellani et al., 1997 b).
Laddove non esistono studi di microzonazione, le implicazioni in termini di
responsabilità del progettista sono evidenti. Il progettista non è sufficientemente guidato e
‘protetto’ dalle nostre norme tecniche. Non solo perché nella nostra normativa i livelli di
protezione non sono specificati e quindi il progettista non è in grado di capire da quale
evento sismico stia proteggendo la costruzione, ma anche perché gli vengono assegnati
compiti precisi con totale discrezionalità anche su questioni che in molti casi esulano dalle
sue possibilità e competenze specifiche. Ne conseguono inoltre livelli di protezione
‘soggettivi’ e ‘progettista-dipendenti’, perché é il progettista a fissare di fatto i criteri di
protezione a seconda degli elementi che introduce nel calcolo, dei parametri che assume, e
soprattutto a seconda della sua competenza e iniziativa.
Per concludere, in Italia, quindi, più ancora che in altri paesi, la normativa sismica
rimanda alla microzonazione sismica, perché tra i due strumenti di protezione non
intercorrono solo rapporti estrinseci e strumentali, ma c’è in realtà uno scambio di funzioni
e di compiti, una dialettica fra i livelli di protezione che lo Stato e le Amministrazioni
locali fissano a tutela del cittadino, e di cui l’ingegnere, nelle sue diverse funzioni - libero
professionista, tecnico di amministrazioni, ecc.- è il principale tutore e garante.
4. CONCLUSIONI
Per concludere, sono possibili due osservazioni.
1. Gli studi di microzonazione rappresentano il futuro verso il quale inevitabilmente ci
muoviamo in tema di prevenzione sismica. A livello mondiale esistono metodi e strategie
scientificamente molto valide, ma gli studi di microzonazione sismica vanno legati alla
storia, al territorio, al contesto in cui nasce. L’Italia non ha solo le nuove costruzioni, ha da
salvaguardare una continuità storica, un patrimonio artistico, culturale, ambientale. Il
momento della conoscenza del territorio è fondamentale. Perciò le iniziative di
microzonazione avviate dalle Regioni in questi anni sono un fatto culturale di grande
rilievo.
2. In termini di costruzioni, monumenti, attività produttive, risorse paesaggistiche, l’Italia
ha un tessuto diffuso da proteggere per intero. Stimolare studi di microzonazione nelle aree
sismiche è fondamentale se si vuole rientrare fra i paesi tecnologicamente avanzati. Ma ciò
significa creare condizioni per attivare ricerche, indagini, controlli sull’ambiente fisico e
costruito, che richiedono energie diffuse sul territorio, strumenti di monitoraggio di alta
precisione e operatori capaci di rilevare, leggere, interpretare i dati, costruire modelli per
definire gli hazard geotecnici, l’esposizione delle infrastrutture, la vulnerabilità degli
edifici e dei monumenti. In questa luce si possono aprire prospettive scientifiche molto
promettenti.
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