Definizione e valutazione dell’azione sismica

1. Corso: "LA PROGETTAZIONE GEOTECNICA DEGLI EDIFICI AI SENSI DEL DECRETO MINISTERIALE 14 GENNAIO 2008" Definizione e valutazione dell’azione sismica Carlo G. Lai, PhD (carlo.lai@eucentre.it) con la collaborazione di: Maria Rota, PhD Mirko Corigliano, PhD Firenze, 9 Luglio 2009

2. sommario • QUADRO NORMATIVO • AZIONE SISMICA • - pericolosità sismica di base • - categorie del terreno di fondazione • - spettri di risposta in accelerazione • - spettri di risposta in spostamento • - effetti di sito litostratigrafici e topografici • - accelerogrammi

3. Quadro normativo

4. quadro normativo Norme Tecniche, Ordinanze e Istruzioni Tecniche • Norme Tecniche per le Costruzioni – Testo Unico (D.M. 14/01/2008) • OPCM 3274 del 20/03/2003 – Criteri generali per la classificazione sismica del territorio nazionale e normative tecniche per costruzioni in zona sismicae successive modifiche ed integrazioni (ad es. OPCM 3316, OPCM 3431) • CIRCOLARE 2 Febbraio 2009 , n. 617 - Istruzioni per l'applicazione delle «Nuove norme tecniche per le costruzioni» di cui al Decreto Ministeriale 14 gennaio 2008. Consiglio Superiore Lavori Pubblici. Pubblicata sul supplemento ordinario alla gazzetta ufficiale del 26 febbraio 2009. • DIFFERENZA IMPORTANTE NELLA DEFINIZIONE DELL’AZIONE SISMICA TRA IL D.M. 14/09/2005 E IL D.M. 14/01/2008

5. operazione matematica che consiste nel comporre per “sovrapposizione degli effetti” più enti concomitanti, ad esempio pericolosità, vulnerabilità ed esposizione sismica, che interagiscono vicendevolmente. definizione dell’input sismico RISCHIO SISMICO Il rischio sismico è definito dalla convoluzione della pericolosità sismica con la vulnerabilità e l’esposizione della struttura e del sito di costruzione agli effetti dei terremoti. La vulnerabilità sismica esprime l’intrinseca propensione di una struttura a subire un certo grado di danneggiamento a causa degli effetti di un terremoto di prefissata severità. L’esposizione sismica rappresenta invece una misura quantitativa del “valore” economico e sociale (in termini di vite umane) di una struttura.

6. 1 Probabilità danno 0 amax definizione dell’input sismico Pericolosità VulnerabilitàEsposizione Probabilità di accadimento eventi di una certa severità in un determinato periodo Valore dei beni, densità di popolazione, entità delle conseguenze per un certo danno agli elementi che compongono il sistema Probabilità di avere un certo livello di danno per una determinata severità RISCHIO: stime delle perdite complessive - costo dei danni subiti dagli edifici, numero prevedibile, costo complessivo in termini economici e sociali che potrà interessare in un determinato periodo una certa area.

7. definizione dell’input sismico MITIGAZIONE DEL RISCHIO SISMICO • Non è possibile ridurre la pericolosità sismica, ma è possibile mitigare il rischio riducendo le conseguenze dei terremoti, mediante azioni per la riduzione di vulnerabilità ed esposizione: • Progettare e costruire adeguatamente, riducendo la vulnerabilità del costruito • Pianificare opportunamente l’uso del territorio (suscettibilità alla liquefazione, frane, etc.) • Predisporre un sistema efficace di protezione civile: sensibilizzazione e diffusione di informazione, sistemi di gestione dell’emergenza • Per realizzare le azioni di mitigazione, è necessario innanzitutto definire quali sono le zone sismicamente pericolose di un territorio: la conoscenza della pericolosità è essenziale per progettare e pianificare l’uso del territorio, ed ottimizzare le politiche di spesa. Per definire la pericolosità del territorio occorrono studi specifici di tipo storico, geologico, geofisico. Per illustrare i concetti di base di pericolosità sismica occorrono alcune nozioni di geodinamica, di sismologia e di probabilità.

8. filosofia alla base delle NTC08 • Approccio prestazionale alla progettazione • le prestazioni della struttura sono definite richiedendo il rispetto di 4 diversi stati limite (SL): 2 SLE + 2 SLU • per ogni SL confronto tra capacità e domanda • per ogni SL, la domandaè legata al periodo diritorno (TR) del sismacui rapportare la capacitàdella costruzione (da Lai et al., 2006)

9. Definizione periodi di ritorno dell’azione sismica

10. periodo di riferimento • L’azione sismica è valutata in relazione ad un periodo di riferimento (VR) dell’opera e allo stato limite (SL) da verificare, cui è associata una prefissata probabilità di superamento PVR; • VR definisce il periodo di osservazione durante il quale ad ogni SL viene definito un terremoto di intensità prefissata specificata da una probabilità di superamento PVR, durante tale periodo, dell’azione da considerare. VN = vita nominale CU = coefficiente d’uso, definito in base alla classe d’uso * Questo limite corrisponde alla necessità di fissare un livello minimo irrinunciabile di sicurezza nei confronti del terremoto

11. vita di riferimento Vita nominale, VN:“numero di anni nel quale la struttura, purché soggetta alla manutenzione ordinaria, deve poter essere usata per lo scopo al quale è destinata”. Deve essere espressamente indicata negli elaborati di progetto. Vengono definiti tre valori, a seconda dell’importanza dell’opera e quindi delle esigenze di durabilità Per VN ≤ 2 anni, le verifiche sismiche possono essere omesse (opere provvisorie o strutture in fase costruttiva)

12. classi d’uso “In presenza di azioni sismiche, con riferimento alle conseguenze di una interruzione di operatività o di un eventuale collasso, le costruzioni sono suddivise inclassi d’uso”, a ciascuna delle quali è associato un valore del coefficiente d’uso CU. Tali classi sono concettualmente equivalenti alle categorie di importanza, mentre CU è equivalente al coefficiente di importanza

13. periodo di riferimento Dalla CIRCOLARE 2 Febbraio 2009 , n. 617 - Istruzioni per l'applicazione delle «Nuove norme tecniche per le costruzioni» “le verifiche sismiche di opere provvisorie o strutture in fase costruttiva possono omettersi quando le relative VN previste in progetto siano inferiori a 2 anni.”

14. SLV SLD SLC SLO stati limite e probabilità di superamento 4 stati limite: 2 di esercizio e 2 ultimi. Per ognuno si definisce una probabilità di superamento (PVR), che rappresenta la probabilità di accadimento, nel periodo di riferimento (VR) di almeno un sisma di periodo di ritorno TR (definito in seguito).

15. stati limite • Gli STATI LIMITE DI ESERCIZIO sono: • Stato Limite di Operatività (SLO): a seguito del terremoto la costruzione nel suo complesso,includendo gli elementi strutturali, quelli non strutturali, le apparecchiature rilevanti alla sua funzione, non deve subire danni ed interruzioni d'uso significativi; • - Stato Limite di Danno (SLD): a seguito del terremoto la costruzione nel suo complesso, includendo gli elementi strutturali, quelli non strutturali, le apparecchiature rilevanti alla sua funzione, subisce danni tali da non mettere a rischio gli utenti e da non compromettere significativamente la capacità di resistenza e di rigidezza nei confronti delle azioni verticali ed orizzontali, mantenendosi immediatamente utilizzabile pur nell’interruzione d’uso di parte delle apparecchiature.

16. stati limite • Gli STATI LIMITE ULTIMI sono: • Stato Limite di Salvaguardia della Vita (SLV): a seguito del terremoto la costruzione subisce rotture e crolli dei componenti non strutturali ed impiantistici e significativi danni dei componenti strutturali cui si associa una perdita significativa di rigidezza nei confronti delle azioni orizzontali; la costruzione conserva invece una parte della resistenza e rigidezza per azioni verticali e un margine di sicurezza nei confronti del collasso per azioni sismiche orizzontali; • - Stato Limite di Prevenzione del Collasso (SLC): a seguito del terremoto la costruzione subisce gravi rotture e crolli dei componenti non strutturali ed impiantistici e danni molto gravi dei componenti strutturali; la costruzione conserva ancora un margine di sicurezza per azioni verticali ed un esiguo margine di sicurezza nei confronti del collasso per azioni orizzontali.

17. stati limite • 4 STATI LIMITE anziché 2 • Ma: • le verifiche allo SLO sono richieste solo per elementi non strutturali e impianti di strutture in classe d’uso III e IV. • lo SLO è inoltre usato per progettare le opere che devono restare operative durante e subito dopo il terremoto (ospedali, caserme, centri della protezione civile, etc.). • le verifiche allo SLC sono necessarie soltanto per costruzioni o ponti con isolamento e/o dissipazione. SLO SLD SLV SLC

18. periodo di ritorno Fissato il periodo di riferimento (VR) e la probabilità di superamento per ogni stato limite (PVR) e ipotizzando che i terremoti seguano una distribuzione probabilistica Poissoniana, il periodo di ritorno dell’azione sismica si ottiene da: I limiti inferiore e superiore di TR sono dovuti all’intervallo di riferimento della pericolosità sismica attualmente disponibile; azioni sismiche riferite a TR più elevati possono essere considerate per opere speciali. TR consente quindi di definire la severità della domanda sismica, per ogni stato limite.

19. Pericolosità sismica di base (macrozonazione)

20. azione sismica Pericolosità sismica di base L’azione sismica in base alla quale valutare il rispetto dei diversi stati limite considerati, si definisce a partire dalla conoscenza della “pericolosità sismica di base” del sito di costruzione. La “pericolosità sismica di base” è definita in termini probabilistici con riferimento a prefissate probabilità di eccedenza (PVR) nella vita di riferimento (VR) della costruzione. È rappresentata da: • accelerazione orizzontale di picco attesa, ag, in condizioni di campo libero su sito di riferimento rigido (suolo di categoria A) con superficie topografica orizzontale; • spettro di risposta elastico isoprobabile in accelerazione (componente orizzontale) in condizioni di campo libero su sito rigido (suolo A) con superficie topografica orizzontale; In Italia la “pericolosità sismica di base” è stata definita su tutto il territorio nazionale dall’INGV attraverso un reticolo di riferimento con maglia avente passo < 10 km per periodi di ritorno ricadenti in un intervallo di riferimento compreso tra 30 e 2475 anni estremi inclusi.

21. azione sismica Pericolosità sismica di base Il calcolo è stato svolto utilizzando il classico metodo probabilistico di Cornell (1968) con un approccio ad “albero logico” a 16 rami assumendo: • distribuzione di Poissonper descrivere processo di accadimento temporale dei terremoti • catalogo parametrico dei terremoti italiani CPTI04 • zonazione sismogenetica ZS9 con sorgenti sismiche a tasso di sismicità uniforme • relazioni di attenuazione: Sabetta e Pugliese (1996), Ambraseys et al. (1996) e due leggi regionali I risultati dello studio di pericolosità sono scaricabili dal sito internet dell’INGV http://esse1.mi.ingv.it/ sismicità del territorio dal catalogo CPTI04

22. azione sismica Pericolosità sismica di base TR=72 anni TR=475 anni TR=2475 anni Esempio: valore di agcorrispondente a TR = 72, 475 e 2475 anni

23. azione sismica

24. azione sismica Pericolosità sismica di base I dati scaricabili dal sito internet dell’INGV (http://esse1.mi.ingv.it/) comprendono mappe di ag e accelerazioni spettrali sui nodi del reticolo di riferimento nell’intervallo di riferimento per: • 10751 nodi del territorio nazionale con maglia di passo 0,05° (~ 5,5 km) • 9 periodi di ritorno: TR = 30 - 50 -72 - 101 - 140 - 201 - 475 - 975 - 2475 anni • 11 periodi strutturali: T = 0 - 0,10 - 0,15 - 0,20 - 0,30 - 0,40 - 0,50 - 0,75 - 1,0 - 1,5 - 2,0 sec • 3 livelli di affidabilità: 16mo - 50mo - 84mo percentile esempio: mappa di ag per TR=475 annicorrispondente al 50mo percentile

25. azione sismica Pericolosità sismica di base Es. Valori di ag associati a TR = 475 anni (probabilità eccedenza 10% in 50 anni)

26. azione sismica Pericolosità sismica di base Esempio: sito a Pontremoli (MS): lat. = 44°,376; long. = 9°,88 1) Selezione di un nodo del reticolo 0.175g  0.20g

27. TR = 475 anni ag = 0,2g azione sismica Pericolosità sismica di base Esempio: sito a Pontremoli (MS): lat. = 44°,376; long. = 9°,88 2) Determinazione delle curve di pericolosità dati disponibili anche in forma di tabella

28. azione sismica Pericolosità sismica di base Esempio: sito a Pontremoli (MS): lat. = 44°,376; long. = 9°,88 3) Spettri a pericolosità uniforme per diversi TR TR = 475 anni

29. azione sismica Pericolosità sismica di base La pericolosità sismica di “base” è definita al sito specifico, nel § 3.2 delle Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC) di cui al D.M. 14/01/2008 attraverso i seguenti parametri di scuotimento: • accelerazione orizzontale di picco attesa ag in condizioni di campo libero su suolo di riferimento rigido con superficie topografica orizzontale (suolo di categoria A); • parametri F0 e TC* dello spettro di risposta elastico in accelerazione (componente orizzontale) su suolo rigido (categoria A) e superficie topografica orizzontale. F0 valore massimo del fattore di amplificazione dello spettro di risposta in accelerazione; TC* periodo di inizio del tratto a velocità costante dello spettro di risposta in accelerazione. I parametri ag, F0 e TC* sono definiti (Allegato B, NTC) in termini probabilistici con riferimento a prefissate probabilità di eccedenza (PVR) nella vita di riferimento (VR) del manufatto su tutto il territorio nazionale attraverso lo stesso reticolo di riferimento dello studio INGV (passo 0,05°).

30. azione sismica Pericolosità sismica di base L’Allegato B delle NTC riporta i valori corrispondenti al 50mo percentile dei parametri ag, F0eTC* sui 10751 nodi del reticolo di riferimento per ognuno dei 9 periodi di ritorno dello studio INGV. stralcio Allegato B

31. azione sismica Pericolosità sismica di base I valori dei parametri ag, F0eTC* sono stati ottenuti imponendo la condizione di minimo scarto (nel senso dei minimi quadrati) tra le forme spettrali in accelerazione adottate dalle NTC (e simili a quelle di EC8) e i corrispondenti spettri di risposta dello studio di pericolosità sismica INGV. Confronto tra spettro isoprobabile INGV e spettro di normativa NTC-08 su suolo rigido per TR = 475 anni, per il sito di Pontremoli (MS).

32. azione sismica Pericolosità sismica di base PROCEDURA DI CALCOLO Secondo le prescrizioni delle NTC-08, la pericolosità sismica di base ad uno specifico sito di costruzione, viene stabilita attraverso i seguenti passi: • definizione della vita di riferimento VR della costruzione da VR=VNCU • definizione delle probabilità di eccedenza PVR nella vita di riferimento VR, associate a ciascuno degli stati limite considerati (Tabelle 3.2.I delle NTC 14/01/2008) • calcolo del periodo di ritorno di riferimento corrispondente ai valori PVR e VR definiti ai precedenti punti mediante la seguente espressione riportata nell’Allegato A delle NTC-08: (ad esempio se VR = 50 anni e PVR = 0,10  TR = 475 anni)

33. azione sismica Pericolosità sismica di base PROCEDURA DI CALCOLO • qualora la pericolosità sismica sul reticolo di riferimento non contempli il periodo di ritorno TR calcolato al punto precedente, determinare il valore del generico parametro di scuotimento p (ag, F0eTC* ) ad esso corrispondente attraverso la relazione (Allegato A): nella quale • p è il parametro di interesse (ag,F0,TC*) corrispondente al periodo di ritorno desiderato TR • TR1 e TR2 sono i periodi di ritorno più prossimi a TR per i quali si dispone dei valori p1 e p2

34. azione sismica Pericolosità sismica di base PROCEDURA DI CALCOLO • interpolazione periodi di ritorno

35. La distanza geodeticadj può essere calcolata con la formula di Eulero (trigonometria sferica) dove R è il raggio medio terrestre (~6371 km) e le coordinate geografiche sono espresse in radianti. azione sismica Pericolosità sismica di base PROCEDURA DI CALCOLO • per qualunque punto del territorio non ricadente nei nodi del reticolo di riferimento, determinare il valore del generico parametro p (ag,F0, TC*) attraverso una media pesata dei valori assunti da p nei 4 vertici della maglia elementare mediante la relazione (Allegato A): • p è il parametro di interesse (ag,F0,TC*) nel punto in esame • pj è il parametro di interesse nel punto j-esimo della maglia • dj è la distanza geodetica del punto in esame dal punto j-esimo nella quale

36. d d 2 1 d d 3 4 latitudine longitudine azione sismica Pericolosità sismica di base PROCEDURA DI CALCOLO • interpolazione coordinate geografiche

37. azione sismica Pericolosità sismica di base Esempio: sito a Pontremoli (MS): lat. = 44°,376; long. = 9°,88 Parametri di pericolosità sismica per il sito di Pontremoli (x) Distanze dai nodi del reticolo per il sito di Pontremoli Maglia elementaresito di Pontremoli

38. azione sismica Pericolosità sismica di base PROCEDURA DI CALCOLO La procedura appena illustrata per la definizione della pericolosità sismica di base ad uno specifico sito di costruzione prescritta dalle NTC-08, può essere implementata in modo automatico utilizzando il programma Excel messo a disposizione dal Cons. Sup. Lav. Pubb. Sito internet: http://www.cslp.it/

39. azione sismica Pericolosità sismica di base PROCEDURA DI CALCOLO Esempio: sito a Pontremoli: – latitudine = 44°,376 – longitudine = 9°,88 programma Excel:http://www.cslp.it/

40. azione sismica Pericolosità sismica di base PROCEDURA DI CALCOLO Esempio: sito a Pontremoli: – latitudine = 44°,376 – longitudine = 9°,88 programma Excel:http://www.cslp.it/

41. azione sismica Pericolosità sismica di base PROCEDURA DI CALCOLO Esempio: sito a Pontremoli: – latitudine = 44°,376 – longitudine = 9°,88 programma Excel:http://www.cslp.it/

42. azione sismica Pericolosità sismica di base PROCEDURA DI CALCOLO Esempio: sito a Pontremoli: – latitudine = 44°,376 – longitudine = 9°,88 programma Excel:http://www.cslp.it/

43. Effetti locali

44. effetti locali Risposta sismica locale MODIFICAZIONI DEL MOTO SISMICO PROVENIENTE DAL SUBSTRATO CAUSATE DA CONDIZIONI GEOLOGICHE-GEOMORFOLOGICHE-TETTONICHE-GEOTECNICHE LOCALI • Vicinanza a faglie sismogenetiche attive (effetti di campo-vicino) • Amplificazione litostratigrafica Effetti di sito • Amplificazione topografica • AMPLIFICAZIONE LITOSTRATIGRAFICA • propagazione verticale delle onde in profili di suolo e successione stratigrafica a strati piani e paralleli con contrasto di impedenza meccanica dal basso verso l’alto (effetti di sito 1D) • propagazione in configurazioni geologiche complesse con direzione dell’onda incidente qualsiasi e generazione di fenomeni diffrattivi e onde di superficie (effetti di sito 2D/3D) • AMPLIFICAZIONE TOPOGRAFICA O GEOMORFOLOGICA • fenomeno di focalizzazione/defocalizzazione delle traiettorie di propagazione delle onde sismiche in configurazioni geomorfologiche con rilievi, creste e avvallamenti.

45. effetti locali Amplificazione litostratigrafica e topografica (da Lai et al., 2006)

46. effetti locali Amplificazione litostratigrafica ESEMPIO: TERREMOTO DI MICHOACÀNM8.1 CITTÀ DEL MESSICO, 19 SETTEMBRE 1985 danni maggiori agli edifici tra i 6 e i 15 piani malgrado la distanza di 350 km da ipocentro.

47. zonazione geotecnica e accelerogrammi registrati durante il terremoto a Città del Messico 19/9/1985 (da Faccioli, 2003) effetti locali Amplificazione litostratigrafica ESEMPIO: TERREMOTO DI MICHOACÀNM8.1, CITTÀ DEL MESSICO, 19-09-1985 VS = 60  120 m/s

48. CESI VILLA CESI BASSA effetti locali Amplificazione litostratigrafica ESEMPIO: SISMA DI UMBRIA-MARCHE 26 SETTEMBRE 1997, M5.9

49. effetti locali Amplificazione topografica (Eurocodice 8-Parte 5) (da Faccioli e Vanini, 2003)

50. effetti locali Amplificazione topografica ESEMPI IN LIGURIA OCCIDENTALE Faccioli E, Vanini M, Frassine L. “Complex site effects in earthquake ground motion, including topography” 12th European Conference on Earthquake Engineering - London, September 2002