La determinazione dell’azione sismica di progetto, rispetto ai diversi stati limite, è funzione della stratigrafia e della morfologia del sito che ne influenzano la risposta sismica. Il più delle volte le condizioni stratigrafiche e le caratteristiche dei terreni sono molto distanti dalla riconducibilità alle categorie stratigrafiche e topografiche definite dalle NTC 2018 Tab. 3.2.II e Tab. 3.2.III, pertanto la valutazione dell’azione sismica secondo l’approccio semplificato indicato dalle norme non è utilizzabile e bisogna predisporre delle specifiche analisi di risposta sismica locale. Alla scala dell’opera, le analisi di risposta sismica locale consentono di tener conto dell’influenza delle particolari condizioni morfologiche e stratigrafiche sul segnale sismico che arriva in superficie.
Il paragrafo 7.2.6. delle NTC 2018 riporta che le analisi di risposta sismica locale vanno condotte mediante l’impiego di metodi e modelli di comprovata validità. I metodi numerici rappresentano indubbiamente un adeguato metodo di analisi di risposta sismica locale, soprattutto perché consentono l’impiego di un approccio bidimensionale. L’approccio 2D è preferibile a quello monodimensionale in quanto consente di mettere in conto gli effetti di bordo e la focalizzazione delle onde, pertanto è contemplata sia l’amplificazione stratigrafica che topografica. La complessità dei metodi numerici richiede un’altrettanto complessa caratterizzazione dei terreni da investigare. Quindi lo studio di risposta sismica locale mediante l’impiego di metodi numerici deve essere supportato da un’adeguata conoscenza delle proprietà geotecniche dei terreni che determina le amplificazioni di sito e che interagiscono con l’opera.
Nel seguito verrà proposto uno studio di risposta sismica locale bidimensionale applicando il metodo FEM.
Inquadramento territoriale
L’area di studio si trova in località Sulmona (AQ) (Lon. [°]: 13.953; Lat. [°]: 42.034 – WGS84), la linea rossa in Figura 1 rappresenta la sezione geologica su cui occorre eseguire l’analisi di risposta sismica locale.
Figura 1- Indicazione su ortofoto della sezione di analisi
Sulla sezione geologica in Figura 2 viene indicato il punto (A) su cui concentrare l’analisi, il risultato verrà confrontato con quello derivante da un’analisi di RSL 1D.
Figura 2- Indicazione dei punti su cui occorre conoscere lo spettro in accelerazione della componente orizzontale
Input sismico
L’azione sismica di ingresso è descritta in termini di storia temporale dell’accelerazione (accelerogrammi) su di un sito di riferimento rigido ed affiorante con superficie topografica orizzontale (sottosuolo tipo A del § 3.2.2- NTC 2018).
Per la scelta degli accelerogrammi di ingresso, si fare riferimento a quanto già specificato al § 3.2.3.6. (NTC 2018) e paragrafi seguenti:
- L’uso di storie temporali del moto del terreno naturali o registrate è ammesso a condizione che la loro scelta sia rappresentativa della sismicità del sito e sia adeguatamente giustificata in base alle caratteristiche sismogenetiche della sorgente, alle condizioni del sito di registrazione, alla magnitudo, alla distanza dalla sorgente e alla massima accelerazione orizzontale attesa al sito.
- Le storie temporali del moto del terreno registrate devono essere selezionate e scalate in modo tale che i relativi spettri di risposta approssimino gli spettri di risposta elastici nel campo dei periodi propri di vibrazione di interesse per il problema in esame. Nello specifico la compatibilità con lo spettro di risposta elastico deve essere verificata in base alla media delle ordinate spettrali ottenute con i diversi accelerogrammi associati alle storie per un coefficiente di smorzamento viscoso equivalente ξ del 5%.
- L’ordinata spettrale media non deve presentare uno scarto in difetto superiore al 10% ed uno scarto in eccesso superiore al 30%, rispetto alla corrispondente componente dello spettro elastico in alcun punto dell’intervallo dei periodi propri di vibrazione di interesse per l’opera in esame per i diversi stati limite.
- Gli accelerogrammi impiegati nelle analisi, in numero non inferiore a 7, devono essere rappresentativi della sismicità del sito e la loro scelta deve essere adeguatamente giustificata.
Gli accelerogrammi registrati, utilizzati nell’analisi, sono stati selezionati attraverso il codice REXEL (Iervolino I., Galasso C., Cosenza E. (2009). REXEL: computer aided record selection for code-based seismic structural analysis. Bulletin of Earthquake Engineering, 8:339–362.) dal database European Strong-motion Database.
Le fasi di ricerca degli accelerogrammi hanno riguardato dapprima l’identificazione dello spettro target:
- Lon. [°]: 13.953;Lat. [°]: 42.034;
- Site class: A;
- Top. cat.: T1;
- Vn: 50 years;
- CU: II;
- SL: SLV;
Successivamente, dall’analisi di disaggregazione è stato possibile scegliere i range di valori Magnitudo-Distanza epicentrale:
- M min: 6
- M max: 7.5
- R min [km]: 0
- R max [km]: 30
La ricerca con REXEL ha restituito il set di accelerogrammi con i relativi fattori di scala, i valori di scalatura applicati agli accelerogrammi consentono alla loro media di rispettare la spettro compatibilità con lo spettro target (vedi immagine).
Figura 3- Report estrazione accelerogrammi (REXEL)
| Waveform ID | Earthquake ID | Station ID | Earthquake Name | Date | Mw | Fault Mechanism | Epicentral Distance [km] | EC8 Site class |
| 6332 | 2142 | ST2483 | South Iceland (aftershock) | 21/06/2000 | 6.4 | Strike slip | 14 | A |
| 7142 | 2309 | ST539 | Bingol | 01/05/2003 | 6.3 | Strike slip | 6 | A |
| 6335 | 2142 | ST2557 | South Iceland (aftershock) | 21/06/2000 | 6.4 | Strike slip | 15 | A |
| 473 | 228 | ST40 | Vrancea | 31/05/1990 | 6.3 | Thrust | 7 | A |
| 6342 | 2142 | ST2556 | South Iceland (aftershock) | 21/06/2000 | Strike slip | Normal | 20 | A |
| 6335 | 87 | ST54 | Tabas | 16/09/1978 | 7.3 | Strike slip | 15 | A |
| 4674 | 1635 | ST2486 | South Iceland | 17/06/2000 | 6.5 | Strike slip | 5 | A |
| Mean: | 6.385714 | 11.71429 |
Tabella 1- Informazioni sul set di accelerogrammi (REXEL)
Gli accelerogrammi importati in RSL2D, opportunamente scalati vengono riportati in Figura 2.2.
Figura 4 – Accelerogrammi di input, scalati, importati in RSL2D
Stratigrafia
Nel processo di propagazione dell’onda sismica nel terreno, le proprietà meccaniche (per esempio rigidezza e smorzamento) del mezzo cambiano con l’entità della sollecitazione. Ad ogni strato sono state quindi assegnate leggi di decadimento in modo da simulare la risposta del terreno al passaggio dello scuotimento sismico. Gli strati sono stati identicati con dei numeri interi crescenti partendo dal substrato ed arrivando in superficie, il substrato è stato identificato con il numero 1. Al substrato è stata assegnata la legge di Idriss (1990) che meglio approssima il comportamento dinamico del terreno roccioso.
In Tabella 2 si riportano le proprietà meccaniche dei vari strati.
| ID | Modulo Elastico [kPa] | Coefficiente Poisson | P.U.V [kN/m3]. | VS [m/s] | VP [m/s] | Proprietà dinamiche | ||
| 1 | 100000 | 0.32 | 24 | 900 | 1750 | Idriss (1990) | ||
| 2 | 50000 | 0.4 | 19 | 320 | 784 | Vucetic & Dorby (1991) PI=15 | ||
| 3 | 20000 | 0.42 | 21 | 280 | 753 |
Seed et alii (1986) |
||
Tabella 2- Proprietà meccaniche degli strati
Per il calcolo dello stato tensionale iniziale vengono richiesti, in fase di input, altri dati aggiuntivi che per completezza di esposizione si riportano in Tabella 3.
| ID | Coesione [kPa] | Angolo di resistenza a taglio[°] | Angolo di dilatanza[°] | Criterio di rottura | |
| 1 | 35 | 45 | 0 | Elastic | |
| 2 | 10 | 26 | 0 | Equivalent Elastic | |
| 3 | 0 | 35 | 0 | Equivalent Elastic |
Tabella 3- Dati aggiuntivi per il calcolo dello stato tensionale iniziale
Le condizioni al contorno imposte sul modello riguardano delle condizioni smorzanti ai lati della sezione mediante vincoli, uno perpendicolare e l’altro tangenziale all’orientamento del confine, il cui coefficiente di smorzamento è proporzionale alle velocità dell’onda, e alla base mediante nodi bloccati in direzione verticale ma liberi di muoversi orizzontalmente in modo da tenere conto della presenza del substrato sottostante deformabile.
In Figura 5 si evidenzia il “nodo monitorizzato”, M=194, ovvero quel nodo su cui si vuole conoscere il risultato dell’analisi.
Figura 5 – Modello FEM in RSL2D
Conclusioni
Nel nodo in esame la risposta sismica locale evidenzia un’amplificazione stratigrafica rispetto al suolo di categoria A. Tuttavia, secondo la classificazione del suolo ai sensi delle NTC 2018, il sito in esame è considerato di categoria C, pertanto lo spettro medio normalizzato è stato confrontato con quello derivante dall’approccio semplificato.
Figura 6 – Risultati analisi RSL 1D
Figura 7 – Risultati analisi RSL 2D
In Tabella 4 si riportano i risultati delle analisi di risposta simica locale monodimensionale, bidimensionale e con approccio semplificato (NTC 2018), relativa alla categoria di sottosuolo C e categoria topografia T1.
Nell’analisi con approccio semplificato, per definire lo spettro di risposta elastico della componente orizzontale, è stato assunto un coefficiente viscoso ξ= 5% e un fattore di alterazione dello spettro elastico η=1.
| Analisi | Stato limite | TB
[s] |
TC
[s] |
TD
[s] |
Se(0)
[m/s2] |
Se(TB)
[m/s2] |
| RSL 1D | SLV | 0.227 | 0.681 | 2.84 | 3.033 | 7.39 |
| RSL 2D | SLV | 0.449 | 1.347 | 15.120 | 2.70 | 6.424 |
| Approccio semplificato (NTC2018) | SLV | 0.172 | 0.515 | 2.622 | 3.36 | 7.94 |
Tabella 4- Parametri di sintesi dei risultati delle analisi
Dal confronto degli spettri derivanti dalle diverse analisi risulta che per la definizione dell’azione sismica ci si dovrà avvalere dell’approccio semplificato in quanto superiore allo spettro ottenuto dalle analisi monodimensionale e bidimensionale.
Le analisi sono state eseguite attraverso i software Geostru RSL III, RSL III 2D e Geostru PS Advanced.
Risposta sismica locale RSL III – Software per la valutazione della risposta sismica locale di III livello: l’input sismico, rappresentato da uno o più accelerogrammi, viene applicato al bedrock e viene valutato il moto di propagazione delle onde in direzione perpendicolare alla superficie utilizzando l’equazione di equilibrio dinamico in funzione dello spostamento.
Risposta sismica locale 2D- RSL III 2D: Software per la valutazione della risposta sismica locale di III livello mediante un approccio agli elementi finiti, nel dominio del tempo, in termini di tensioni totali. L’input sismico, rappresentato da uno o più accelerogrammi, viene applicato al bedrock e viene valutato il moto di propagazione delle onde per qualsiasi nodo del modello discretizzato a maglie triangolari.
Geostru PS Advanced produce una accurata relazione automatica sulla pericolosità sismica di sito:
- Localizzazione automatica del sito
- Pericolosità sismica di base
- Pericolosità sismica di sito
- Storia sismica del sito
- Rappresentazione degli spettri elastici e di progetto. Calcolo dei coefficienti sismici cinematici ed inerziali
- Redazione di una accurata relazione di calcolo secondo quanto previsto al C10 Relazioni specialistiche
- Generazione automatica dei file sismici da importare in altri software GEOSTRU
