Ingegneria sismica I

Diuniversità ingegneria Enzo Ferrari, Modena

Curriculum in ingegneria delle strutture

Anno accademico 2019/2020

Enrico Spinelli

Matricola: 137960

Indice

Parte 1: Sismologia, spettri di risposta e concezione delle strutture

• Introduzione all’ingegneria sismica
• Sismologia - parte 1
• Sismologia - parte 2 (intensità del sisma)
• Sismologia - parte 3 (magnitudo)
• Sismologia - parte 4 (caratteristiche e parametri di intensità)
• Sismologia - parte 5 (spettro di risposta)
• Analisi probabilistica di pericolosità - parte 1
• Analisi probabilistica di pericolosità - parte 2
• Analisi probabilistica di pericolosità - parte 3 - esempio
• Analisi probabilistica di pericolosità - parte 4 - distribuzione di Poisson e spettri isoprobabili
• Performance Based Design e ruolo della duttilità - parte 1
• Performance Based Design e ruolo della duttilità - parte 2 - criterio di ugual spostamenti ed energia
• Spettri di risposta di normativa
• Spettri di risposta di normativa - ruolo del tipo di suolo
• Criteri di progetto - parte generale
• Capacity design
• Regolarità in pianta
• Regolarità in altezza
• Regolarità - effetto dei tamponamenti
• Dettagli costruttivi - immagini di danni

Parte 2: Metodi di analisi, strutture in muratura e strutture esistenti

• Analisi statica lineare - parte 1
• Analisi statica lineare - esempio
• Edifici in muratura - tipologie e comportamento scatolare
• Edifici in muratura - materiali e resistenza della muratura
• Edifici in muratura - verifica per carichi verticali
• Edifici in muratura - esempio di verifica per carichi verticali
• Edifici in muratura per azioni sismiche - parte 1 - caratteristiche generali e geometriche
• Edifici in muratura per azioni sismiche - parte 2 - analisi lineare e rigidezza del maschio murario
• Edifici in muratura per azioni sismiche - parte 3 - criteri di crisi del maschio murario
• Esempio: analisi lineare di struttura in muratura
• Analisi non lineare per strutture in muratura: il metodo POR
• Esempio: curva F-d con il metodo POR di struttura in muratura
• Strutture in muratura: edifici semplici
• Esempio: verifica dei criteri di edificio semplice
• Muratura armata - parte 1
• Muratura armata - parte 2 e Muratura intelaiata
• Edifici esistenti: valutazione della sicurezza - parte 1
• Edifici esistenti: valutazione della sicurezza - parte 2
• Edifici esistenti: valutazione della sicurezza - parte 3
• Edifici esistenti: cinematismi locali - parte 1
• Edifici esistenti: cinematismi locali - parte 2
• Edifici esistenti: cinematismi locali - parte 3
• Edifici esistenti: interventi - adeguamento sismico
• Edifici esistenti: interventi - miglioramento ed intervento sismico
• Edifici esistenti: esempio di intervento locale - apertura in muro portante
• Valutazione della sicurezza a livello territoriale
• Elementi non strutturali

Pericolosità, vulnerabilità ed esposizione

Pericolosità: dipende dalla frequenza e dalla violenza dei terremoti che possono accadere in una certa zona (caratteristica del territorio).

Vulnerabilità: predisposizione di un edificio a subire danneggiamenti o crolli in seguito a un terremoto (caratteristica dell'edificio).

Esposizione: insieme di caratteristiche di un territorio, ad esempio la densità di costruito e la popolazione del territorio, le cui condizioni possono essere alterate da un evento sismico.

Rischio sismico: Insieme di queste tre quantità. L'Italia è un paese ad alto rischio sismico sia perché ha zone altamente pericolose o mediamente pericolose (poche zone a bassa pericolosità) sia perché ha edifici molto vulnerabili in quanto vecchi e sia perché ha un'altissima esposizione cioè grandi zone densamente popolate.

Sismologia

Parte 1

La terra è divisa in sette zolle continentali principali, che si muovono l’una rispetto all'altra, oltre a 14 zolle subcontinentali più piccole che contribuiscono anche loro al movimento della crosta terrestre. I movimenti tra di loro sono di fatto l'origine dei terremoti. In particolare l'energia di deformazione, accumulata dalle rocce in profondità, è rilasciata a seguito di una grande deformazione di queste rocce, soprattutto se si parla di rocce fragili sotto forma di onde sismiche che portano ad un punto chiamato ipocentro e arrivano fino alla crosta terrestre.

La sismicità dell'area mediterranea è legata al fatto che la zolla africana tende ad avvicinarsi a quella euroasiatica e di conseguenza abbiamo a che fare con un movimento significativo. Se noi guardiamo le mappe di dove avvengono i terremoti nella zona Mediterranea (mappe di pericolosità) si capisce che l'Italia è nella zona più pericolosa assieme alla Grecia e buona parte della Turchia. Vediamo anche che causa del movimento di questa zolla africana sulla zona euroasiatica non tutta Italia è soggetta alla medesima pericolosità ma ci sono zone in cui si attendono terremoti più forti e frequenti, come la dorsale appenninica, e zone invece, come la parte alta delle Alpi o la Pianura Padana, la Puglia e la Sardegna, che hanno pericolosità sismica decisamente più bassa. Se si confrontano le zone e le microzone in prossimità della zona adriatica si capisce che abbiamo a che fare con una sismicità significativa proprio in corrispondenza degli Appennini. L'Italia ha un'ampia propensione ad avere terremoti anche di significativa intensità.

Elastic Rebound Theory

Quando i movimenti tettonici provocano la rottura delle rocce, in maniera soprattutto fragile, l'energia di deformazione, che viene assorbita dalle rocce nel corso di decenni o secoli, viene rilasciata istantaneamente sotto forma di calore o di onde sismiche che si propagano nella crosta terrestre e arrivano fino alla superficie dando origine ai terremoti. Queste onde e questa quantità di energia rilasciata sono diverse in funzione del tipo di roccia che si deforma o che si rompe. Se abbiamo a che fare con rocce di un materiale duttile (plastico), avremo pochi o nulli eventi sismici proprio perché le rocce sono in grado di seguire questa deformazione deformandosi in maniera plastica. Se invece abbiamo a che fare con rocce fragili e soprattutto molto resistenti, abbiamo a che fare con un alto rilascio di energia perché il grande movimento delle zolle crea una grande energia di deformazione che in un materiale fragile viene rilasciata istantaneamente appena il materiale si rompe.

Molto spesso abbiamo in una stessa zona di faglia, più faglie che possono essere più o meno resistenti e quindi avremo una condizione intermedia tra queste due. Infatti la variabilità del tipo di rocce può dare eventi multipli cioè rocce di caratteristiche diverse si rompono in un breve tempo tra l'una e l'altra dando eventi di intensità diversa ma che hanno energia di formazione diverse. Quindi è necessario studiare le tipologie di roccia nel nostro territorio per poter definire la loro resistenza e di conseguenza la capacità di energia che può essere rilasciata per prevedere gli effetti di un terremoto in una certa zona.

Ipocentro ed epicentro

La zona in cui si ha la rottura nel sottosuolo viene chiamata ipocentro mentre la zona sulla superficie terrestre corrispondente in verticale all’ipocentro si chiama epicentro. Io posso sentire l'onda sismica che viene dall'ipocentro anche se mi trovo a una grande distanza. I terremoti si dividono in:

• Crostali: Superficiali profondità ipocentro inferiore a 25 km (frequenti in Appennino)
• Normali profondità ipocentro tra 25 e 70 km
• Intermedi: profondità ipocentro tra 70 e 300 km
• Profondi: profondità ipocentro maggiore di 300 km

Onde sismiche

Le onde si dividono in:

• Onde di pressione (longitudinali o P): il materiale viene allungato e compresso nella direzione di propagazione dell'onda.
• Onde di taglio (trasversali o S): il materiale oscilla nella direzione ortogonale rispetto alla direzione di propagazione dell'onda.

Questi due tipi di onde sono dette onde di volume.

Onde superficiali: si vedono solo sulla superficie della crosta terrestre (non all'interno come le due precedenti) provocando grandi spostamenti.

Onde di tipo diverso hanno velocità di propagazione diversa a causa del loro movimento, tale per cui riconoscere le onde P dalle onde S può permettere di localizzare i terremoti. Le onde P viaggiano a una velocità variabile da 3 a 8 km al secondo. Le onde S viaggiano a una velocità compresa tra 2 e 5 km al secondo quindi decisamente più lente. Quindi se è possibile riconoscere l'arrivo di un'onda P dall'onda S, è possibile, anche attraverso la variazione di tempo che intercorre fra le onde più veloci P e le onde S, stimare la distanza da cui è avvenuto l’evento. Avendo a che fare con più misurazioni ad esempio in tre punti del mio territorio riesco a stimare qual è il tempo di percorrenza fra le onde P e le onde S è possibile stimare tre distanze e con tre distanze è possibile anche avere un'idea di dove si trova l'ipocentro e di conseguenza l'epicentro che ha generato quel sisma. Questo è quello che fa l'Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia in Italia che attraverso una rete con accelerometri e sismometri a livello nazionale registra gli eventi e riesce in qualche modo a localizzare in tempo reale o quasi in tempo reale l’epicentro e l’ipocentro del terremoto.

Onde di superficie

Le onde di superficie (chiamate Love e Rayleigh dal nome di chi le ha scoperte) sono onde che hanno caratteristiche completamente diverse dalle altre 2 e che in qualche modo vengono prodotte solo quando le onde P e le onde S arrivano lungo la superficie della crosta terrestre. La cosa a cui noi interessa di queste quattro tipologie di onde non è tanto riconoscerle quanto sapere che a un certo punto queste onde vengono in qualche modo filtrate da tutti gli strati di roccia di terreno che incontrano durante il loro viaggio dall'ipocentro al nostro edificio che si trova sulla crosta terrestre. Cosa vuol dire filtrate? Che vengono in qualche modo per alterare, cioè vengono fermati alcune caratteristiche e vengono eventualmente esaltate altre, quindi che il mio edificio sulla crosta terrestre veda un accavallamento di diverse tipologie di onde che sono state in qualche modo alterate sulla base di che cosa queste quattro onde hanno incontrato nella loro storia.

Quindi in qualche modo noi vediamo un accavallamento di onde sismiche che portano a terremoti che possono essere molto diversi tra di loro proprio sulla base di che cosa queste onde hanno appunto incontrato. Questa è una cosa assolutamente importante perché farà sì che noi non riusciremo a predire ad esempio un accelerogramma, cioè un andamento della vibrazione o del movimento del terreno nel tempo, perché sono troppe le variabili in gioco: quattro tipologie di onde che si sommano fra di loro e che sono in qualche modo alterate da diversi strati del terreno. Quindi hanno contenuti di frequenza molto elevati (lo vedremo più avanti) per cui noi ci dovremo limitare a caratterizzare questo sulla base di parametri sintetici, se volete anche semplificati, perché non possiamo in alcun modo predire poi dopo un qualche cosa che è più sofisticato.

Sicuramente va sottolineato il fatto che se si ha a che fare con terremoti che sono profondi mi ritrovo che la zona interessata dal terremoto potrebbe essere potenzialmente più grande perché più è profondo l'ipocentro più le mie onde sismiche tendono a essere via via di raggio maggiore e quindi interessare una zona sulla superficie della crosta terrestre più ampia. Ma siccome la superficie sarà più ampia a parità di potenza daranno gli effetti che sono più limitati.

Se invece abbiamo a che fare con un ipocentro che è molto prossimo alla superficie terrestre avremo a che fare con una zona interessata molto limitata ma questa zona molto limitata sarà investita da un'azione che è molto importante perché le onde sismiche si concentreranno in una zona molto limitata. Per questo motivo talvolta i sismi a una grande profondità preoccupano un po' meno perché investono una grande superficie e non sono concentrati in una zona limitata; mentre invece i terremoti superficiali fanno grande danno nella vicinanza dell’epicentro e poi sono meno significativi man mano ci si allontana dall'epicentro stesso.

Caratterizzazione della sismicità

Abbiamo necessità di comprendere quanto è pericolosa la zona dove mi trovo. La prima cosa che si può fare è, quello che si faceva nel secolo scorso o addirittura nei secoli precedenti, cioè guardare la sismicità storica che è così detta derivante dai cataloghi di terremoti. Nei secoli passati l'unico modo che si aveva per caratterizzare la sismicità era la scrittura in qualche libro da parte di qualcuno sugli effetti che questo terremoto aveva fatto al territorio (es. si narra che nel 1600 c'è stato un terremoto che ha devastato la città). Questo diciamo non è una misura scientifica e rappresentativa di quello che è un parametro dell'importanza del terremoto ma per secoli è l'unica cosa che abbiamo e che è stato fatto cercando fonti storiche di monaci. I primi dati oggettivi si hanno all’inizio del secolo scorso intorno agli anni 30 in cui si è iniziato a costruire quelli che sono i sismometri per cercare di dare una misura fisica del terremoto. Per quanto ci riguarda sui cataloghi storici sono importantissimi che seppur ovviamente hanno una completezza inferiore rispetto a un dato fisico che noi oggi possiamo avere ci hanno permesso di avere una storia sismica del luogo decisamente più ampia rispetto a quella che abbiamo potuto misurare.

Noi oggi abbiamo bisogno di una misura del moto sismico in modo tale da poter localizzare l'epicentro e per avere uno strumento che nel lungo periodo possa in qualche modo fornirci strumenti di progetto e di studio di quello che è la sismicità di un luogo. L'Italia ha una rete accelerometrica Nazionale che è abbastanza ampia e inoltre utilizza anche dati di diverse sottostazioni che non sono proprie dell'Istituto di Geofisica e Vulcanologia che però appunto contribuiscono a dare informazioni sul terremoto. Sono disposti in maniera abbastanza di omogenea sul territorio nazionale tranne che nella Sardegna (vedremo più avanti perché) che permettono quindi non dico tempo reale ma quasi di dare informazioni appunto sulla pericolosità dei terremoti che avvengono. I dati disponibili sono degli ultimi 50 anni (cioè abbiamo dati a partire dagli anni 70).

Come funziona uno strumento di misura? Sono esemplificati alcuni strumenti misura dove una massa che attraverso qualche elemento (primo caso un pendolo, nel secondo) una molla possono muoversi in verticale o in orizzontale e in qualche modo il loro moto viene trascritto e registrato attraverso un pennino su un rotolo di carta. Oggi avviene tramite un segnale elettrico che a seconda dell'intensità di movimento di questa massa viene inviato a una stazione di acquisizione che registra il dato e ce lo fornisce in forma numerica. Esistono anche i sensori digitali seppur solo recentissimamente (ultimi 5/6 anni) hanno ottenuto la precisione dei vecchi sismometri o accelerometri analogici e sicuramente la rete nazionale è principalmente popolata di sismometri che sono analogici e non digitali.

Parte 2: Intensità del sisma

Un primo modo per valutare l'intensità del sisma è quello di utilizzare scale così dette macrosismiche. Sono le più vecchie (inizio secolo scorso). Le scale macrosismiche sono quelle che classificano la severità del sisma sulla base degli effetti prodotti in una zona spesso limitata di territorio, ad esempio quindi si possono valutare gli effetti su edifici o sulle persone che abitano una zona diciamo prossima all’epicentro. La prima è stata proposta da Mercalli (scala Mercalli) e comprendeva 10 livelli di intensità crescente degli effetti che si potevano vedere nel momento in cui qualcuno andava nella zona epicentrale del sisma. Questa scala poi dopo è stata modificata nel corso dei decenni tanto che adesso ne sono presenti due utilizzate a livello mondiale:

• La prima cosiddetta scala Mercalli-Cancani-Sieberg cosiddetta MCS del 1923 e la versione definitiva del 1930 che è la scala che noi utilizziamo tipicamente in Europa come scala macrosismica.
• Una seconda variazione chiamata scala Mercalli modificata che è tipicamente utilizzato negli Stati Uniti anche lei della stessa epoca.

Questa scala appunto divide l'intensità del sisma sulla base degli effetti (ad esempio il primo grado è un terremoto impercettibile rilevato solamente a livello di strumentazione piuttosto che un grado 4 moderato in cui, all'aperto, il terremoto è percepito da poche persone via via fino a eventi sempre più catastrofici). Questa scala è molto soggettiva nel senso che la percezione del terremoto, seppur viene descritto spesso in maniera accurata, dipende anche dal costruito (col medesimo terremoto in una zona con edifici nuovi e soprattutto ben costruiti magari gli effetti sarebbero completamente diversi). Queste scale macroscopiche sono quindi oggettive ma sono ancora oggi utilizzate perché in ambito di Protezione Civile c'è bisogno di sapere cosa si attende da un evento che è appena accaduto. È assolutamente di utilizzo fondamentale per scopi di Protezione Civile tanto che ancora oggi si fanno mappe di attese cioè una mappa macrosismica degli eventi che si può attendere. Quindi mappe di questo tipo aiutano a prevenire e gestire le situazioni di emergenza post-terremoto.