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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI FIRENZEDIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE e AMBIENTALE Sezione Geotecnica
Liquefazione dei terreni in condizioni sismiche
Prof. Ing. Claudia Madiai
INTRODUZIONE
prof. ing. Claudia MadiaiCorso di Ingegneria Geotecnica Sismica
Definizioni
In senso stretto ‘liquefazione’ è lo stato fisico in cui può venire a trovarsi un terreno sabbioso saturo quando la sua resistenza al taglio si riduce drasticamente per effetto dell’incremento e dell’accumulo delle pressioni interstiziali
In senso ampio con il termine ‘liquefazione’ si indicano differenti fenomeni fisici (liquefazione ciclica, mobilità ciclica, fluidificazione) molto diversi tra loro, osservati nei materiali granulari saturi durante l’applicazione di carichi dinamici e cicliciin condizioni non drenate
22
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La liquefazione dei depositi e dei pendii durante i terremoti è una delle principali cause di danno ed è perciò uno dei fenomeni più studiati dal punto di vista geotecnico
prof. ing. Claudia MadiaiCorso di Ingegneria Geotecnica Sismica
INTRODUZIONE
punto di vista geotecnico
Lo studio è affrontato a diverse scale e con diversi approcci: Osservazione e analisi di ‘casi reali’ hanno evidenziato: manifestazioni diverse nei depositi e nei pendii siti più predisposti di altri verificarsi del fenomeno in relazione alla severità del terremoto
Indagini in sito e di laboratorio hanno consentito di:
33
Indagini in sito e di laboratorio hanno consentito di: caratterizzare i depositi interessati o meno da fenomeni di liquefazione riprodurre il fenomeno in laboratorio mediante prove cicliche
Analisi teoriche e numeriche hanno permesso: la modellazione teorica del fenomeno la simulazione numerica con verifica dei modelli
Le conoscenze acquisite mediante lo studio alle diverse scale e con i diversi approcci hanno evidenziato che:
è
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INTRODUZIONE
l’occorrenza di fenomeni di liquefazione è legata alla combinazione di fattori ‘predisponenti’ (natura dei terreni) e fattori ‘scatenanti’ (sisma); in mancanza di uno di tali fattori i terreni non arrivano a liquefazione
è possibile effettuare affidabili previsioni del rischio di liquefazione e proteggersi dagli effetti distruttivi legati a questo fenomeno con una opportuna scelta dei siti di costruzione e/o con interventi sui terreni e sulle opere di fondazione
e hanno consentito di approfondire i seguenti aspetti:1. che cos’è la liquefazione e perché accade2. quando e dove può verificarsi3. evidenze ed effetti alla scala del manufatto e del territorio 4. come si può valutare il rischio di liquefazione5. come è possibile mitigarne gli effetti
44
3
1. Che cos’è la liquefazione e perché accade
Per capire cos’è la liquefazione occorre esaminare lo stato di sforzoprima e durante lo scuotimento sismico
i l t di l di t
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in un elemento di volume di terreno all’interno del deposito
Un terreno granulare saturo è costituitoda un insieme di grani a contatto tra loroe da acqua interstizialeLa resistenza è di tipo frizionale, dipendesolo dalla tensione media di contatto (’)solo dalla tensione media di contatto ( ) e può essere espressa ad es. dallarelazione di Mohr-Coulomb:= ’ tg’ = (-u) tg’
(: tensione totale; u: pressione interstiziale)
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Durante lo scuotimento sismico (carico dinamico e ciclico) si realizzano
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1. Che cos’è la liquefazione e perché accade
condizioni non drenate l’acqua rimane intrappolata nei vuoti e la pressione interstiziale varia di ucon conseguente variazione della resistenza al taglio: = ’ tg’ = (-u-u) tg’
Se la deformazione di taglio indottaSe la deformazione di taglio indotta dalla sollecitazione è maggiore di v, la u media è progressivamente crescente la resistenza al taglio può ridursi drasticamente fino ad annullarsi (per u= ’iniziale) e il terreno tende a comportarsi come un fluido viscoso
66
4
Prima dello scuotimento sismicoun generico elemento di volume
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1. Che cos’è la liquefazione e perché accade
un generico elemento di volume all’interno di un deposito è soggetto, rispettivamente sui piani orizzontale e verticale, agli sforzi normali efficaci 'v e ’h nonché ad eventuali sforzi di taglio D(driving stresses)(parte della resistenza disponibile in
vD (parte della resistenza disponibile in
direzione orizzontale e verticale è mobilitata per contrastare gli sforzi di taglio D)
h
77
Durante il terremoto l’elemento di volume è soggetto a sforzi
i ti i di t li lt ti
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1. Che cos’è la liquefazione e perché accade
aggiuntivi di taglio alternati cyc
Tali sforzi inducono nei terreni sciolti la tendenza ad una diminuzione di volume che, essendo impedita (condizioni non drenate), genera un incremento della pressione interstiziale d d i d ll i id
’v
D
’h
cyc
’v
cyc
D
’h
degradazione della rigidezza deformazioni sempre più elevate
Sforzi efficaci (e resistenza) si riducono e possono giungere ad annullarsi il terreno si comporta come un fluido viscoso
maxu
t
cyc
t
88
5
Effetti della perdita di resistenza del terreno per liquefazione
'
'n
o,ff)u(
inizialeefficacesforzo
inizialetaglioalresistenza
'n
o,f
Nell’ipotesi che valga il criterio di rottura di Mohr-Coulomb:
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Ribaltamento di edifici
nrotturadigiacituraallanormale
Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
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Fenomeni inclusi nel termine’ liquefazione’D= sforzo di taglio statico prima del terremotor= resistenza al taglio non drenata residua
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1. Che cos’è la liquefazione e perché accade
r g’m = tensione efficace media
rD
Fluidificazione
r
D
sforzo statico prima
sforzo statico prima del terremoto
Mobilità ciclica’m 0
rD
rD
sforzo statico prima del terremoto
r
D0
rD0
Liquefazione ciclica’m 0
1010
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Fenomeni e severità del danno
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1. Che cos’è la liquefazione e perché accade
Liquefazione ciclica (cyclic liquefaction)Assenza di sforzi di taglio necessari per l’equilibrio statico (p.c. orizzontale e assenza di carichi in superficie) Non produce danni
Mobilità ciclica (cyclic mobility)Sforzi di taglio necessari per l’equilibrio statico inferiori alla resistenza al taglio dopo il terremoto Deformazioni permanenti limitate,
t ti l t li di ti tt ti
1111
spostamenti laterali, cedimenti, smottamenti
Fluidificazione (flow liquefaction)Sforzi di taglio necessari per l’equilibrio statico superiori alla resistenza al taglio dopo il terremoto Deformazioni permanenti elevate,
collassi di fondazioni e opere di sostegno, frane
La liquefazione ciclica è un caso particolare di mobilità ciclica
E’ importante soprattutto perché i metodi di previsione della l f f f
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1. Che cos’è la liquefazione e perché accade
liquefazione fanno riferimento a questo caso
Superficie libera
cyc
’h
’v
’h
’v
cyc
t
cyc
cyc
1212
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2. Quando e dove può verificarsi la liquefazione
La liquefazione è influenzata da:
CARATTERISTICHE comportamento contraente o dilatante, funzione dello stato di
addensamento (Dr , e) e della pressione media efficace di confinamento (0)
distribuzione granulometrica (D50, Uc, CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito, ad es. dalla
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
1313
condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito, ad es. dallapresenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili)
sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (D , r)
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
La liquefazione generalmente avviene quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni:
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2. Quando e dove può verificarsi la liquefazione
Condizioni del terreno :(fattori predisponenti, influiscono su ’iniziale) Profondità dello strato < 15÷20 m dal p.c.
Profondità della falda < 5 mDensità relativa Dr < 60 %)Diametro medio 0.02 mm < D50< 2 mm
Condizioni sismiche : (fattori scatenanti, influiscono su u) Magnitudo > 5.5
PGA > 0.15 gdurata > 15-20 sec
Frazione di fini (< 0.005 mm) < 15%
1414
8
CASOM Dr
(%)amax
(g)durata
(s)Periodo
(s)Lique-fazione
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2. Quando e dove può verificarsi la liquefazione
Niigata(1964)
7.5 53 0.16 40 0.80 Sì
Niigata(1964)
7.5 64 0.16 40 0.80 Sì
Alaska(1964)
9.2 50 0.15 180 1 Sì
Alaska(1964)
9.2 99 0.12 180 1 No(1964)
Tokachioki(1968)
7.8 80 0.21 45 1 No
Tokachioki(1968)
7.8 55 0.18 45 1 Sì
S.Fernando(1971)
6.6 30 0.40 15 0.40 Sì
1515
Caso M ’0(kPa) NSPT N’
Lique-fazione
Niigata 7.564 12 14 No
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2. Quando e dove può verificarsi la liquefazione
(1964)64 12 14 No
Niigata(1964)
7.564 6 6.9 Sì
Alaska(1964)
9.258 5 5.5 Sì
Alaska(1964)
9.276 5 5.5 Sì
TokachiokiTokachioki(1968)
7.8 41 14 18 No
Tokachioki(1968)
7.8 41 6 7.8 Sì
Tokachioki(1968)
7.8 26 4 5.8 Sì
’0 : tensione efficace media di confinamentoN’ : valore di NSPT corretto e normalizzato 1616
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osservazione di ‘casi reali’ di liquefazione
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2. Quando e dove può verificarsi la liquefazione
CSR
liquefazione
0.2
0.3
qe non liquefazione
CSR = sforzo di taglio indotto dall’azione sismica (normalizzato rispetto alla pressione litostatica efficace)
(N1) 6010 20
non liquefazione0.1
30
(N1)60 = numero di colpi della STP (corretto e normalizzato)
1717
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2. Quando e dove può verificarsi la liquefazione
terreni suscettibili di liquefazione
1818
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La liquefazione si può verificare nei seguenti siti:
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2. Quando e dove può verificarsi la liquefazione
q p g
in prossimità di mari, fiumi, laghi, baie, oceani, spiagge, depositi fluviali, estuari, pianure
aree portuali
depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto superficiale (H < 5m)
prima durante
1919
Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie:
3. Evidenze ed effetti in sito
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crateri, vulcanelli, fuoriuscite di acqua e sabbia
grandi oscillazioni e rotture del terreno
abbassamenti e sollevamenti del terreno
movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading)
movimento di masse fluide / collasso in pendii naturali e artificialiartificiali
perdita di capacità portante delle fondazioni
galleggiamento di opere sotterranee
collasso di opere di sostegno e banchine portuali
2020
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Liquefazione ciclica - deposito sabbioso omogeneoGetti d’acqua e sabbia
(dissipazione delle pressioni
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3. Evidenze ed effetti in sito
crateri
cedimenti
interstiziali in eccesso)
prima durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(> 0)
perdita dei contatti per accumulo di u
fino a che 0
dissipazione di u, recupero dei contatti, addensamento
delle particelle2121
Getti d’acqua e sabbia
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Liquefazione ciclica - deposito sabbioso con copertura di terreno non liquefacibile
3. Evidenze ed effetti in sito
Getti d acqua e sabbia(dissipazione delle pressioni
interstiziali in eccesso)
Vulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
prima durante dopo
2222
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Schemi di manifestazioni di liquefazione ciclicaCratere (vent)
Sabbia NS
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3. Evidenze ed effetti in sito
Strato NL
Avvallamenti
Cratere con acqua
Sabbia NS
Sabbia NS
Cratere con riempimento
Sabbia SL
manifestazioni associate a grandi oscillazioni
Rotture
Sabbia SL
Strato NL
Sabbia SL
Strato NL
GrabenandBoil_110104.mo
Vulcanelli di sabbia (sand boils)
Strato NL
Sabbia SL
Strato NL
Sabbia SLVulcanelli di sabbia convessi
NL= non liquefacibileNS = non satura SL = satura liquefacibile
2323
Fessure di sabbia
Sabbia SL
Strato NL
Sabbia SL
Crateri e vulcanelli
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Loma Prieta, California, 1989 - M=7.1
2424
13
Crateri e vulcanelli
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Emilia Romagna, 2012 - M=5.9
2525
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Testimonianza storica del terremoto di Rimini, 1875 - M=5.7 ,
2626
14
Rotture del terreno/fuoriuscite di acqua e sabbia
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Taiwan, 1999 - M=7.6
2727
Rotture del terreno/fuoriuscite di acqua e sabbia
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Taiwan, 1999 - M=7.6
2828
Emilia Romagna, 2012 - M=5.9
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Fuoriuscite di acqua e sabbia / formazione di laghi
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Kokaeli, Turkey, 1999 - M=7.6
2929
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
3030Niigata, Japan, 2004 - M=6.8
16
Fuoriuscite di acqua e sabbia
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3131
Emilia Romagna, 2012 - M=5.9
Rotture del terreno/fuoriuscite di acqua e sabbia
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Emilia Romagna, 2012 - M=5.9
3232
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Schemi di manifestazioni di mobilità ciclica3. Evidenze ed effetti in sito
grandi oscillazioni e rotture del terreno
abbassamenti e sollevamenti del terreno3333
Abbassamenti e sollevamenti del terreno
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Loma Prieta, California, 1989 - M=7.1
3434
18
Abbassamenti e sollevamenti del terreno
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3535
Emilia Romagna, 2012- M=5.9
Abbassamenti del terreno
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Niigata, Japan, 2004 - M=6.8
3636
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Abbassamenti del terreno
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Kocaeli , Turkey, 1999 - M=7.63737
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Schemi di manifestazioni di mobilità ciclica3. Evidenze ed effetti in sito
movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading)
3838
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Lateral spreading
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Loma Prieta, California, 1989 - M=7.13939
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Kocaeli , Turkey, 1999 - M=7.6Tipico profilo dei terreniad Adapazari, Turkey
4040
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Lateral spreading
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4141
Emilia Romagna, 2012- M=5.9
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Schemi di manifestazioni di fluidificazione3. Evidenze ed effetti in sito
4242movimento di masse fluide/collasso in pendii naturali e artificiali
22
Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
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A h Al k 1964Anchorage, Alaska, 1964 -M=9.2
4343
Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
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S. Fernando, California, 1971- M=6.6
4444
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
prof. ing. Claudia MadiaiCorso di Ingegneria Geotecnica Sismica
Meccanismo relativo al crollo della diga di S. Fernando
4545
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Schemi di manifestazioni di fluidificazione3. Evidenze ed effetti in sito
perdita di capacità portante delle fondazioni
collasso di opere di sostegno e banchine
4646
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Perdita di capacità portante delle fondazioni
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Loma Prieta, California, 1989 - M=7.14747
Perdita di capacità portante delle fondazioni
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Kocaeli , Turkey, 1999 - M=7.6
4848
25
Perdita di capacità portante
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4949
Galleggiamento di manufatti
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Kobe, Japan, 1995 - M=6.9
S. Francisco, California, 1906 - M=7.9
5050
26
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5151
Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento
Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
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Kobe, Japan, 1995 - M=6.9
5252
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Casi in cui si può escludere la liquefazione
In base al D.M. 14.01.2008 la liquefazione si può escludere qualora sia verificata almeno una delle seguenti condizioni:
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4. Come si valuta il rischio di liquefazione
sia verificata almeno una delle seguenti condizioni:1. Eventi sismici di magnitudo inferiore a 5
2. Accelerazioni massime al piano campagna in condizioni free-field minori di 0,1 g
3. Profondità media stagionale della falda superiore ai 15 m dal piano campagna (per p.c. suborizzontale e strutture con fondazioni superficiali)
4. Sabbie pulite caratterizzate da (N1)60 >30 oppure qc1N >180, essendo (N ) i tti t il l d l di l i d SPT d ll(N1)60 e qc1N rispettivamente il valore del numero di colpi da SPT e della resistenza di punta da CPT, normalizzati e corretti
5. Distribuzione granulometrica esterna a determinate fasce critiche
Altri criteri di esclusione possono essere stabiliti sulla base del contenuto di fine FC(frazione passante al setaccio 200 ASTM - 0.0074 mm) e delle sue caratteristiche, ad es: FC > 20% con indice di plasticità IP > 10%; oppure: FC >35% e resistenza (N1)60 > 20 oppure FC > 5% e resistenza (N1)60 > 25
5353
Fasce critiche (coefficiente di uniformità Uc < 3.5)
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Casi in cui si può escludere la liquefazione
4. Come si valuta il rischio di liquefazione
40
50
60
70
80
90
100
san
te, p
(%
)
Limo Sabbia Ghiaia
Elevata possibilità di liquefazione
0
10
20
30
40
0.001 0.01 0.1 1 10 100
diametro, d (mm)
pas
s
Possibilità di liquefazione(curve D.M. 14.01.2008)
Uc < 3.5
5454
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Fasce critiche (coefficiente di uniformità Uc > 3.5)
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Casi in cui si può escludere la liquefazione
4. Come si valuta il rischio di liquefazione
40
50
60
70
80
90
100
san
te, p
(%
)
Limo Sabbia Ghiaia
Elevata possibilità di liquefazione
0
10
20
30
40
0.001 0.01 0.1 1 10 100
diametro, d (mm)
pas
s
Uc > 3.5
Possibilità di liquefazione(curve D.M. 14.01.2008)
5555
Come si può determinare la magnitudo attesaper le verifiche di liquefazione
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4. Come si valuta il rischio di liquefazione
Si può fare riferimento al seguente testo guida per la MZS:Gruppo di lavoro MS, 2008. Indirizzi e criteri per la microzonazione sismica. Conferenza delle Regioni e delle Province autonome - Dipartimento della Protezione Civile
Reperibile al sito:http://www.protezionecivile.it/all'interno della sezione "Rischio sismico“
Le indicazioni sono contenute nel § 2.8.2: Valutazione della magnitudo
5656
29
Come si può determinare la magnitudo attesaper le verifiche di liquefazione
METODO DELLE ZONE SISMOGENETICHE Zonazione ZS91. Se il sito in esame appartiene a una delle 36 zone
sismogenetiche (v. ZS9) si assume come M il
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g ( )valore Mwmax della zona di appartenenza
2. Se il sito non ricade in alcuna zona sismogeneticasi determinano le minime distanze del sito dalle zone circostanti (Ri) e si calcola Ms(i) = 1+3log(Ri). Se Ms(i) < Mwmax(i) si assume per la verifica il valore Mwmax(i) più alto fra quelli che soddisfano la relazione precedenteSe Ms(i) > Mwmax(i) si determina M con il metodo di disaggregazione gg g
5757
Come si può determinare la magnitudo attesaper le verifiche di liquefazione
METODO DI DISAGGREGAZIONE
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Figura 2.8-3 - Valori medi di M per comune,ottenuti a seguito della disaggregazione dellapericolosità con periodi di ritorno di 475 anni(elaborazione su dati da Spallarossa e Barani,2007).
5858
30
905
R (A) 45 k
METODO DELLE ZONE SISMOGENETICHE
ESEMPIO - Si può escludere la verifica a liquefazione?
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R917(A)
R912(A)
R905(B)
R912(B)
B
A
R912(A) 45 kmR917(A) 130 kmMs(912) = 5.96 < 6.14=Mwmax(912)
Ms(917) = 7.34 > 6.14=Mwmax(917)
R912(B) 155 km
(quindi M=6.14 non si può escludere la verifica nel sito A in base al punto 1 del § 7.11.3.4.2)
R905(B) 170 kmMs(912) = 7.57 > 6.14=Mwmax(912)
Ms(905,906) = 7.69 > 6.60=Mwmax(905)
Per determinare M attesa al sito B si ricorre al METODO DI DISAGGREGAZIONE
5959
DETERMINAZIONE DELLA MAGNITUDO ATTESA AL SITO B
CON IL
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ESEMPIO - Si può escludere la verifica a liquefazione?
CON IL METODO DI
DISAGGREGAZIONE
6060
31
DETERMINAZIONE DELLA MAGNITUDO ATTESA AL SITO B CON IL METODO DI DISAGGREGAZIONE
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ESEMPIO - Si può escludere la verifica a liquefazione?
M=5.61 (non si può escludere la verifica nel sito B in base al punto 1 del § 7.11.3.4.2 ) 6161
DETERMINAZIONE DELLA ACCELERAZIONE MASSIMA ATTESA AL
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ESEMPIO - Si può escludere la verifica a liquefazione?
MASSIMA ATTESA AL SITO B
ag= 0.057g
in base al punto 2 del § 7.11.3.4.2 si può escludere la verifica a liquefazione per le categorie di sottosuolo B, C, E (SS,max=1.21.6).
Per la categoria di sottosuolo D si haamax =0.1g (SS,max=1.8) 6262