studi di ingegneria geotecnica sismica

Argomenti di Ingegneria Geotecnica – Giornata in ricordo di Filippo Vinale
21/09/09 Sant’Angelo dei Lombardi
Francesco Silvestri
Università di Napoli Federico II
STUDI DI INGEGNERIA GEOTECNICA SISMICA
Terremoto (Vittorio Papa, 2008)
Il modello concettuale per la valutazione del rischio sismico
Elementi necessari per quantificare il livello di Rischio Sismico locale ():
• Pericolosità sismica (H, hazard)
probabilità che si verifichi un dato evento sismico nel tempo e nello spazio
= pericolosità sismica regionale (P) x risposta sismica locale (S)
• Vulnerabilità (V)
sensibilità al danneggiamento di un sistema urbanizzato
= V. dell’ambiente fisico x V. del costruito x V. di infrastrutture/servizi a rete =
= (VF) x (VC) x (VR)
• Esposizione (E)
perdita percepita dalla comunità e delle risorse interessate
Quantificazione del Rischio Sismico locale:
valutazione del prodotto simbolico
=HVE
Inter-disciplinarietà dell’analisi del rischio sismico
VC = Vulnerabilità del Costruito
VR = Vulnerabilità delle Reti
(INGEGNERIA/URBANISTICA)
VF = Vulnerabilità dell’ambiente Fisico
(GEOLOGIA/ING. GEOTECNICA)
Fenomeni deformativi
S = Risposta sismica locale (effetto Sito)
(GEOFISICA/ING. GEOTECNICA)
P = Pericolosità sismica regionale
(SISMOLOGIA APPLICATA)
La ‘lista della spesa’
1. Il monitoraggio e l’analisi di fenomeni sismici
2. La caratterizzazione geotecnica dei terreni
3. L’analisi di risposta sismica e la valutazione del rischio
1. Il monitoraggio e l’analisi di fenomeni sismici
(dal bradisismo flegreo al terremoto aquilano)
Preistoria: la crisi bradi-sismica flegrea 1983-84
16.IV.1985: convenzione UniNa - Regione
Evento del 4.X.83 (ML=4.0, I=VII)
Sciame del 13.X.83 (circa 350 eventi!)
Laurea Papa & Silvestri
Monitoraggio sismico nei Campi Flegrei
Rete mobile Wisconsin gennaio-maggio 1984: 12 velocimetri 3D (21 siti)
Database accelerometrico per l’area flegrea
Banca dati accelerometrica (O.V. + Facoltà di Ingegneria)
costituita da 16 eventi (ML<3.7) e 276 registrazioni
De Natale et al. (1988)
Medioevo: la Microzonazione Sismica di Benevento
Area con edifici e muri crollati dopo il terremoto storico del Sannio nel 1688
Danni lievi
Danni di media entità
Danni elevati (crolli > 75%)
PROGETTO
TRAIANO
(1988 – 1991)
(2000 – 2003)
Moto sismico di riferimento per la città di Benevento
Simulazione campo di moto prodotto
dall’evento sismico del Sannio 1688
(Imax= XI, M  6.7)
PGA a BN per 150 accelerogrammi sintetici
PGAavg  0.35g
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
Frequenza cumulata
99,9
99
95
80
60
40
20
5
Iannaccone et al. (2002)
Numero di eventi
1
50
40
30
20
10
0
0,0
Accelerazione orizzontale di picco, PGA (g)
Riduzione del database accelerometrico
Per le analisi di risposta sismica locale, 150 segnali sintetici ridotti a:
- 15 (criterio della max verosimiglianza)
- 8 (clustering basato su PGA, PGV, Ia)
15 ACC
0.336
0.335
Maximum relative velocity (cm/s)
0.549
0.547
Maximum relative displacement (cm)
0.050
0.049
Arias intensity (m/s)
0.447
0.461
aRMS (g)
0.127
0.128
Trifunac duration (sec)
1.581
1.534
Characteristic intensity
0.057
0.058
Maximum acceleration (g)
2.00
1.75
Spectral acceleration, Sa (g)
150 ACC
1.50
8 signals; avg. ±
1.25
150 signals - average
8 signals - average
1.00
150 signals; avg. ±
0.75
Maximum Spectral Acceleration (g)
0.889
0.879
Maximum Spectral Velocity (cm/s)
69.798
75.694
Spectral acceleration at 0,3 s (g)
0.594
0.555
0.25
Spectral acceleration at 1 s (g)
0.376
0.403
0.00
Fundamental frequency (Hz)
1.476
1.498
Cosenza - Manfredi factor, ID
15.311
15.374
PGA/PGV
61.222
61.261
Mean Square frequency (Hz)
2.906
2.842
0.50
0
0.5
1
Period, T(sec)
1.5
2
Vinale et al. (2003)
Tempi moderni: monitoraggio della diga di Camastra
spalla
(formazione
Corleto Perticara)
coronamento
banchina
fondazione
(formazione
Serra Palazzo)
base diga
Interpretazione razionale delle misure
terremoto Molise 31.X.2002
stazioni accelerometriche CIMA
2
Accelerazione spettrale oriz., SA (cm/s )
10
9
coronamento
8
banchina
7
6
base diga
5
formazione di
Serra Palazzo
4
formazione di
Corleto Perticara
3
2
1
0
0.1
1.0
10.0
Frequenza, f (Hz)
100.0
rapporti spettrali cresta / spalla
f1 = 3.3 Hz 
VS  2.6  H  f1
Funzione di amplificazione, SSR
8
7
monte-valle
6
5
4
3
2
1
0
0.1
1
10
Frequenza, f (Hz)
100
Sica et al. (2008)
Storia contemporanea: monitoraggio sequenza aquilana
IMCS = IX-X
IMCS = VI
Marzorati et al. (2009)
Interpretazione per valutazione effetto di sito
HVSR (H/V) su 12 terremoti con ML ≥3
Polarigramma degli H/H medi
Onna
SSR (H/H Onna/Monticchio), ML ≥3
Monticchio
Marzorati et al. (2009)
2. La caratterizzazione geotecnica dei terreni
(dal sottosuolo dei centri abitati ai terreni da costruzione)
Caratterizzazione del sottosuolo del C.D.N.
Campagna di indagini:
- centinaia sondaggi e CPT
- prove laboratorio standard
- 4 verticali per prove CH-DH
- prove di colonna risonante
Fattori stratigrafici fondamentali:
- profondità substrato (tufo) variabile (20-50 m)
- lente di torba (0-3m) assente nella zona SW
Vinale (1988)
Caratterizzazione del sottosuolo del centro urbano di Benevento
300 m a.s.l.
Carta e sezione geologica (mod. da Improta et al., 2005)
FLF
R
Dt
ALG
CR
200
AGA
(mod. da Improta et al., 2005)
300 m a.s.l.
Terreno
FLF
R
ALG
Dt
CR
200
Proprietà geotecniche
da prove o letteratura
(Costanzo et al., 2007)
AGA
Riporti antropici (R)
Detriti, colluvioni (Dt)
Alluvioni recenti (ALG)
Alluvioni terrazzate (GS)
Fluvio lacustri fini (FLF)
Fluvio lacustri grossi (FLG)
Alterati
Conglomerati rissiani
(CR)
Cementati
Superficiali
Argille plioceniche
(AGA)
Profonde

VS
D0
l
v
(kN/m3)
(m/s)
(%)
(%)
(%)
17
18-19
18-19
19-21
19
20
20
23
21.3
22.5
130 – 300
250 -330
200 – 500
630 -750
700
300 – 500
600 – 800
800 – 900
450 – 600
800
5
3
2
1
3
1
1
0.5
3
2
0.001
0.0029
0.001
0.002
0.005
0.002
0.0015
0.02
0.009
0.009
0.01
0.0371
0.01
0.02
0.05
0.02
0.042
0.2
0.103
0.106
L’uso dei sistemi informativi territoriali
3-D Kriging interpolation
of Vs
Vs
(m/s)
800
650
500
360
180
1. Modello digitale del terreno (DTM)
3. Colonne stratigrafiche
2. Georeferenziazione sondaggi
4. Modello geostatistico 3D di VS
Modello geotecnico di sottosuolo del Centro Direzionale di Napoli
W
E
Peso u.d.v. 
(kN/m3)
VS (m/s)
Curve
prove CH-DH
G(),D()
Terreni di riporto
16.68
(200)
a
Ceneri
15.70
161 ± 22
a
Sabbie stratificate
16.68
220 ± 23
a
Torba
13.73
55 ± 10
b
Pozzolana incoerente
15.70
262 ± 21
a
Pozzolana deb. cementata
15.70
326 ± 20
a
Tufo giallo
15.70
400 ÷ 800
c
Materiale
Vinale (1988)
Il laboratorio di Dinamica delle Terre dell’Università di Napoli
cella RCTS mod. Isenhower-Stokoe
terreni piroclastici dell’area flegrea
G/G0
D (%)
 (%)
Papa et al. (1988)
L’evoluzione della specie
cella THOR
d’Onofrio (1996)
argille plioceniche di Benevento
Penna (2004)
Prove di laboratorio UniNa-AMRA per l’area aquilana
1.1
modulo di taglio normalizzato, G/G0
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.0001
cese di preturo S3-C1
cese di preturo S3-C2
cese di preturo S3-C3
monticchio S1-C1
roio piano S1-C8
Vucetic & Dobry (1991) - IP=15%
Vucetic & Dobry (1991) - IP=30%
Vucetic & Dobry (1991) - IP=100%
0.001
0.01
0.1
1
deformazione tangenziale,  (%)
fattore di smorzamento, D (%)
20
15
cese di preturo S3-C1
cese di preturo S3-C2
cese di preturo S3-C3
monticchio S1-C1
roio piano S1 - C8
Vucetic & Dobry (1991) - IP = 15%
Vucetic & Dobry (1991) - IP = 30%
Vucetic & Dobry (1991) - IP = 100%
10
5
0
0.0001
0.001
0.01
deformazione tangenziale,  (%)
0.1
1
L’attività sperimentale in sito dell’Università di Napoli
Le prime prove in foro: il test-site del Fucino
argilla del Fucino
Guys, have you
seen my suitcase?
Mancuso et al. (1988)
Le prove CH-DH-SASW-RC sul rilevato della diga di Bilancino
Mancuso et al. (1993)
Le prove SASW sul rilevato della diga di Camastra
SASW
source
SDMT
A
V s (m/s)
Vs (m/s)
0
0
5005001000
1000
B
0
0
Vs (m/s)
SASW
SDMT 1
10
10
SDMT 2
0
0
receivers
Downstream
shell
500 1000
SDMT 3
SDMT 4
20
40
z (m)
30
20
10
C
SASW
Vs (m/s)
30
20
40
30
50
40
50
0
500 1000
0
SASW
BEDROCK
10
Pagano et al. (2008)
Le prove MASW nei siti CASE (L’Aquila)
Curva di dispersione teorica vs sperimentale
Velocità onde di taglio, Vs [m/s]
0
500
1000
1500
0
DH
MASW
Riporto
5
Profondità, z [m]
10
Limo argilloso
15
Ghiaia
20
25
30
Inversione
con metodo Monte Carlo
35
Evangelista L. et al. (2009)
3. L’analisi di risposta sismica
e la valutazione del rischio
(dalle zone urbane alle infrastrutture)
Analisi della risposta sismica del Centro Direzionale di Napoli
Analisi 1D (SHAKE)  verticali raggruppabili in 3 famiglie di forme spettrali simili
Amplificazioni, Frequenze naturali
Profondità tufo, Spessore torba
SW
NE
finput=2.5Hz
finput=3.3Hz
Vinale (1988)
Carta di MS del Centro Direzionale di Napoli
Vinale (1988)
Analisi della risposta sismica del centro urbano di Benevento
Sezione fiume Sabato
delle accelerazioni
di picco in FEM
superficie(QUAD4M)
RispostaAndamento
in superficie
con analisi
Acc. (g)
0,9
0,7
0,5
0,3
75
125
175
225
275
325
375
425
475
525
Distanza (m)
Santucci de Magistris et al. (2008)
Analisi della risposta sismica 2D vs 1D
1.5
1
4
6
8
10
periodo, T (s)
0.6
2.5
2
1.5
1
0.5
2
1.5
0
0.2
2
4
6
8
10
8
10
periodo, T (s)
20
40
-0.4
-0.6
tempo, t (s)
60
0.6
0.4
0.2
0
-0.2 0
20
40
-0.4
-0.6
60
accelerazione, a (g)
periodo, T (s)
0.6
0.4
0.2
0
-0.2 0
20
40
60
2
4
6
8
10
1
0.5
0
2
4
6
8
10
0
6
0
periodo, T (s)
periodo, T (s)
4
1
0.5
0
0
2
2
1.5
2
1
0
2.5
1.5
0.5
0
0.4
0
-0.2 0
2.5
accelerazione, a (g)
2
Acc. spect., Sa (g)
0
Acc. spect., Sa (g)
0.5
2.5
0.6
0.4
0.2
0
-0.2 0
accelerazione, a (g)
Acc. spect., Sa (g)
2
0
accelerazione, a (g)
Acc. spect., Sa (g)
2.5
Accelerazione, a (g)
Acc. spect., Sa (g)
Sezione sul fiume Sabato – Analisi bidimensionale
0.6
0.4
0.2
0
-0.2 0
20
40
60
-0.4
-0.6
tempo, t (s)
20
40
60
-0.4
-0.6
tempo, t (s)
-0.4
-0.6
tempo, t (s)
tempo, t (s)
Santucci de Magistris et al. (2008)
Carta di MS della città di Benevento
Analisi RSL 1D  7 zone omogenee in termini di spettri medi di sito
3.00
Zone 1
2.50
Spectral acceleration, Sa (g)
Spectral acceleration, Sa (g)
3.00
Ponte
Galanti
Asse S10
Asse S3
Viad. SS3
Ponte 2
Input motion
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
0
0.5
1
Period, T (sec)
1.5
Guerrazzi
IND_SOND 8
IND_SOND 182
IND_SOND 16
Input motion
1.50
1.00
0.50
0
0.5
1
Period, T (sec)
1.5
2
3.00
Zone 1*
2.50
Spectral acceleration, Sa (g)
Spectral acceleration, Sa (g)
2.00
0.00
2
3.00
2.00
Rufina
Asse S1
Input motion
1.50
1.00
0.50
0.00
Zone 5
2.50
2.00
IND_SOND 243
IND_SOND 253
IND_SOND 250
Input motion
1.50
1.00
0.50
0.00
0.5
1
Period, T (sec)
1.5
2
0
3.00
3.00
Zone 2
2.00
Avellola AT1
Avellola AT3
AvellolaAT2
Input motion
1.50
1.00
0.50
0.00
Spectral acceleration, Sa (g)
2.50
2.50
2.00
IND_SOND 113
IND_SOND 190
IND_SOND 260-261
Input motion
1.50
1.00
0.50
0.5
1
Period, T (sec)
1.5
2
1
Period, T (sec)
1.5
2
Zone 4
2.50
Avellola AT6
Viad. SS11
Avellola AT8
Viad. SS9
Avellola AT4
Input motion
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
0.00
0
0.5
3.00
Zone 3
Spectral acceleration, Sa (g)
0
Spectral acceleration, Sa (g)
Zone
6
2.50
0
0.5
1
Period, T (sec)
1.5
2
0
0.5
1
Period, T (sec)
1.5
2
Santucci de Magistris et al. (2008)
Analisi della risposta sismica della diga di Camastra
Sezione maestra
57 m
invaso
Modello FEM
(GEFDYN)
sisma
Japan SZO (Tr=500 years)
0.6
Valnerina (Tr=800 years)
Accelerogrammi
di progetto
Japan MYG (Tr=1000 years)
Input acceleration (g)
0.4
Friuli Tolmezzo (Tr=2500 years)
Montenegro Ph (Tr>5000 years)
Montenegro Uh (Tr>5000 years)
0.2
Japan KGS (Tr>5000 years)
0
-0.2
-0.4
-0.6
0
5
10
15
Time (s)
20
25
30
Sica & Pagano (2009)
Valutazione dei fenomeni deformativi del corpo diga
Japan MYG
Friuli Tolmezzo
Montenegro PH
Japan SZO
50 m
Valnerina
Settlement of the dam crest, w (cm)
40
35
Montenegro PH
30
Japan MYG
Japan KGS
25
20
15
Japan KGS
10
Friuli Tolmezzo
Montenegro UH
Japan SZO
5
Valnerina
0
0
1
2
3
Arias Intensity, Ia (m/s)
4
..
5
Montenegro UH
Cedimenti in cresta correlabili
all’energia sismica rilasciata (Intensità di Arias)

Sistema di early warning
(implementato su diga di Conza)
Sica & Pagano (2009)
L’insegnamento di Filippo Vinale
Centralità dell’Ingegneria Geotecnica
nello sviluppo degli studi interdisciplinari di Rischio Sismico
L’importanza del confronto continuo e dell’integrazione
con le competenze sismologiche, geofisiche, geologiche, strutturali, urbanistiche
L’uso intelligente delle tecnologie avanzate
in campo sperimentale, analitico, di acquisizione e trattamento dei dati
Saper cogliere l’essenziale dalla moltitudine di informazioni e di analisi
Grazie, DUX!