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Seminario ADEGUAMENTO SISMICO DEGLI EDIFICI SCOLASTICI Mantova, Sala Conferenze dell'Unione Industriali, 7 novembre 2014

L'AZIONE SISMICA NEL PROGETTO DELLE

STRUTTURE: CONSIDERAZIONI E

PROPOSTE PER LE NORME TECNICHE

Paolo Clemente, PhD

Resp. Prevenzione Rischi Naturali e Mitigazione Effetti

ENEA – C.R. Casaccia

Convegno ADEGUAMENTO SISMICO DEGLI EDIFICI SCOLASTICI Mantova, Sala Conferenze dell'Unione Industriali, 7 novembre 2014

L'azione sismica nel progetto delle strutture: considerazioni e proposte per le norme tecniche PAOLO CLEMENTE

AQK Repi =6.1 km comp NS

Maximum Acceleration:

366.61097948cm/sec2

at time t=7.635sec

Maximum Velocity:

38.64189722cm/sec

at time t=7.965sec

Maximum Displacement:

11.86387142cm

at time t=8.365sec

INPUT SISMICO Primo step nella progettazione = analisi delle azioni, tra cui le azioni sismiche:

• Pericolosità sismica di base (BHA)

• Risposta sismica locale (LSR)

Incertezze LRS >> Incertezze BHA

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0T(sec)

SA

(g

)NTC-08 475 yrs Soil=ANTC-08 475 yrs Soil=BNTC-08 475 yrs Soil=CNorm. 1996 2a categ. (4 dutt 1.5 s.l.)AQg EW soil=AAQv EW soil=BAQk EW soil=BNTC-08 2475 yrs Soil=B

Terremoto dell’Aquila, 2009

M=6.3:

• PGA = 0.30 ÷ 0.65 g:

• PGA >> PGA (TR=475 anni)

• PGA PGA (TR=2475 anni)

• Spettri: mostrano gli stessi

superamenti



MODELLAZIONE STRUTTURALE

• Materiali e comportamento strutturale in capo elsastico e non, che influenzano:

• Fattore di comportamento = misura della capacità di dissipare energia

Sismi più violenti di quello di

progetto

gran parte delle strutture

dovrebbero collassare o subire

ingenti danni

In pratica ciò non avviene.



SICUREZZA SISMICA IN ITALIA

Le nostre conoscenze sui terremoti e sui loro

effetti sulle strutture sono migliorate

notevolmente negli ultimi decenni

ma

gli eventi degli ultimi anni hanno dimostrato che

la strada da percorrere per conseguire un livello

di sicurezza accettabile è ancora lunga



CALAMITÀ NATURALI IN ITALIA Negli ultimi 500 anni (Stime dell’ENEA, 1999):

• vittime dovute ad eventi naturali = oltre 20 a settimana

• 75% in occasione di eventi sismici

Terremoto della Sicilia sudorientale del 1693

• disastro ambientale, oggi sede di molti

stabilimenti petrolchimici

Terremoto della pianura Padana Emiliana del 2012

• gravi danni all'economia della regione e dell'intero

paese

Considerate

• l’estensione delle aree interessate

• la varietà del patrimonio edilizio esistente

la riduzione del rischio sismico richiede un notevole

impegno finanziario



PREVENZIONE O RICOSTRUZIONE ? Investimento necessario per riduzione rischio sismico = 100.000 ML lire

(stima GNDT, 1980)

Oculata programmazione della spesa e degli interventi, con:

priorità, per quanto riguarda il patrimonio pubblico opere

strategiche o di particolare rilevanza, quali prefetture, caserme,

ospedali, scuole, ecc.,

incentivi, per quanto riguarda il patrimonio privato

Somma non disponibile né

utilizzabile in tempi brevi, né

allora né adesso

Investimento estremamente

conveniente, tenuto conto

dei costi di gestione delle

varie emergenze e

ricostruzioni successive



SICUREZZA SISMICA IN ITALIA

70% dell’edificato non adeguato al sisma di progetto al sito

Evoluzione della classificazione sismica

Qualità delle costruzioni e degli interventi sull’esistente

Edifici storici

Evoluzione della Normativa Tecnica



EVOLUZIONE CLASSIFICAZIONE SISMICA

1908 Terremoto di Messina e Reggio Calabria Nuove zone classificate solo a seguito di un terremoto

1980 25% In zone 1 e 2

2003 70% in zone 1, 2, 3 Introd. Zona 4

1981 43% in zone 1, 2 e 3 Introd. Zona 3

2008: definizione puntuale dei parametri di pericolosità. Scompaiono le zone



EVOLUZIONE NORME TECNICHE

D.M. LL.PP. 03/03/1975 Norme tecniche

per le costruzioni in zone sismiche Prima normativa di moderna concezione (a seguito

della Legge 2 febbraio 1974, n. 64, Provvedimenti

per le costruzioni con particolari prescrizioni per le

zone sismiche)

63.8% delle abitazioni in Italia costruito prima del 1971 (dati ISTAT)

non rispondono, nominalmente, a criteri di sicurezza sismica

Fh3

Fh3

Fh3

z3

z2

z1

Norme Tecniche per le Costruzioni attualmente in vigore dal 2009

decisamente più onerose delle precedenti

(G+Q)2/8

(G+Q)1/8 0.5 (G+Q)

(G+Q)T/6

D.L. 5 novembre 1916 (TU) n. 1526

forze statiche simulanti l'azione sismica

(G = carichi permanenti,

Q = carichi variabili)

0.0

0.5

1.0

0 1 2 3 4

R

T (s)

0.8 sec



QUALITÀ COSTRUZIONI Età > 50 anni per gran parte degli edifici

(valore tipico della vita utile)

Edifici storici

• a volte oggetto di interventi inadeguati

• non dovrebbero ospitare scuole,

ospedali, strutture strategiche

Periodi di maggiore attività dopo eventi

eccezionali (guerre, terremoti):

costruzioni edificate

• in fretta

• senza adeguati controlli

• con sistemi e materiali scadenti



LE NORME, OVVERO LE LEGGI Un numero di regole eccessivo comporta vari inconvenienti: • l'impoverimento dell'autonomia e della creatività, in quanto l'opera del

progettista è irretita dalle norme • la difficoltà di discernere ciò che veramente conta • la sensazione di avere al riparo delle norme, responsabilità assai alleviate • la difficoltà di rendersi conto dei ragionamenti che giustificano certe regole,

rischiando di considerare queste alla stregua di algoritmi, ossia di schemi operativi che, una volta appresi, il pensiero non è più chiamato a giustificare

Ma tra le varie conseguenze, una delle più temibili è • l'attenuazione del senso di responsabilità, mentre questa costituisce uno

dei diritti fondamentali dell'uomo, violando il quale la vita si appiattisce e si rafforza, …

(Piero Pozzati, 1993) Concetti che concordano col motto: “Il regolamento serve a chi non si sa regolare“ ossia l’arte del ben progettare è molto di più che seguire le prescrizioni normative



PREVISIONE DEI TERREMOTI Interv. Tempo Utilità Commenti

Brevis

-simo pochi

sec/min early warning per impianti

RIR, treni AV, …

Possibile ma non utile in

Italia

Breve poche

ore ÷

qualche

mese

preparare le risorse per

emergenza e l’evacuazione

Al momento non siamo in

grado di fare ciò

Medio qualche

anno individuare aree dove

intervenire prioritariamente

per ridurre il rischio

Esperimenti di previsione:

aree di grandi dimensioni e

tempi lunghi, non

utilizzabili al momento per

scopi di protezione civile

Lungo decine di anni

ridurre vulnerabilità e

esposizione, preparare le

popolazioni

Le mappe di pericolosità ci

danno questa informazione

Per salvare vite umane costruire edifici antisismici



SOMMARIO

In questa presentazione:

• Considerazioni sulla valutazione della perisolosità sismica ai fini della progettazione strutturale

• Proposte per future norme tecniche

• Ricadute delle proposte sulle norme italiane e europee



INPUT SISMICO Descrizione corretta e completa dell’input = componenti dell’ accelerazione lungo 3 direzioni ortogonali regitsrate durante un sufficiente numero di eventi sismici -0.5

0

0.5

0 10 20 30 40acc (g

)

t (s)

Tolmezzo W-E

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

0 1 2 3 4

Se

(g)

T (s)

Se

Sd - q=1.5

Sd - q=3.0

Sd - q=4.5

L'AquilaTR=475 aSuolo B

In pratica, per analisi lineari = spettri di risposta delle componenti orizzontali e verticali al sito per determinare gli effetti massimi sulle strutture

In assenza di spettri di sito: spettri di risposta forniti dalle norme tecniche



SPETTRO DI RISPOSTA IN ACC. ORIZZONTALE Relativo a: • Suolo rigido e superficie orizzontale • Smorzamento =5%

0.0

0.2

0.4

0.6

0 1 2 3 4

Se

(g)

T (sec)

Rigid Soil

TCA

PGA·F

PGA

Valore massimo dell’acc. orizzontale (PGA = valore a T=0)

TCA = TC su suolo rigido Limite superiore dell’intervallo di accelerazione costante

Massima amplificazione F Rapporto tra la massima ampiezza spettrale e quella a T=0

Altri parametri (TB, TD): derivati da questi



PGA: APPROCCIO PROBAB. E DETERM.

Probabilistic Seismic Hazard Assessment (PSHA)

• Basato sulla storia sismica, sul concetto di periodo di ritorno e sulle faglie

conosciute, capaci o no,

• Non tiene conto degli eventi di megnitudo molto elevata, il cui accadimento

è avvenuto in epoca preistorica

Deterministic Seismic Hazard Assessment (DSHA)

• Sviluppa scenari sismici per ogni sorgente sismica, considerando anche gli

eventi preistorici (ove noti)

• Seleziona un moto sismico tenendo conto del massimo evento credibile

(MCE), della distanza dalla sorgente dal sito e delle sue caratteristiche

geologiche



PGA: per ciascun sito in funzione della prob. di superamento PNCR in 50 anni PNCR è correlata al periodo di ritorno TNCR

PVR = 10% in 50 anni

TR = 475 anni

PVR = 63% in 50 anni

TR = 50 anni

PVR = 2% in 50 anni

TR = 2475 anni

APPROCCIO PROBABILISTICO

PSHA: insieme di mappe ciascuna per un TNCR ≤ 2475 anni Tempo di osservazione To dovrebbe essere >> TNCR : ma To=1000÷2000 anni L’estrapolazione a periodi maggiori tiene conto delle incertezze



PGA - DGA

PGA

TR = 2475 anni DGA

Neo-deterministic

(Panza et al.)

(Panza et al.) Quasi ovunque

PGA > DGA



• Eventi meno frequenti, con TR > 2475 anni, possono non essere noti

• Alcune faglie potrebbero non essere note

CONSIDERAZIONI

16 luglio 2007: un sisma generato

da una faglia non nota colpisce

Chuetsu, prefettura di Niigata in

Japan (M=6.6),

Dove c’è la centrale nucleare di

Kashiwazaki-Kariwa



R

S

B

Ai 3 siti si hanno differenti risposte allo stesso evento sismico

RISPOSTA SISMICA LOCALE

Array velocimetrico a Belmonte Castello (FR): Receiver Functions di registrazioni di aftershocks del sisma dell’Aquila, 2009

0

2

4

6

8

0 5 10 15f (Hz)

R - SN/UP

R - WE/UP

0

2

4

6

8

0 5 10 15f (Hz)

S - SN/UP

S - WE/UP

0

2

4

6

8

0 5 10 15f (Hz)

B - SN/UP

B - WE/UP



Analisi HVSR

MICROZONAZIONE SISMICA

Definizione MOPS:

microzone omogenee in prospettiva sismica

(amplificative e non)

Livello I

• Scelta siti per nuovi impianti

• Definizione priorità di intervento sugli

esistenti

Livello I

•Zone instabili

•Zone stabili (pianeggianti, VS30 > 800 m/s)

•Zone stabili ma suscettibili di amplificazione

Livello II: coefficienti di amplificazione

attraverso abachi (situazioni semplici 1D)

Livello III: coefficienti di amplificazione

attraverso misure in sito e modellazione Livello III



LA RSL NELLE NORME TECNICHE

Fattore di sottosuolo S Diminuisce al crescere di PGAS

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

0.0 0.4 0.8 1.2

S

PGA·F (g)

SOFT

MEDIUM

RIGID

0.0

0.4

0.8

1.2

0.0 0.4 0.8 1.2

PG

A·F

·S (

g)

PGA·F (g)

SOFT

MEDIUM

RIGIDMassima ampiezza spettrale

PGA S F0



0.0

1.2

2.4

3.6

0.0

0.4

0.8

1.2

0.2 0.4 0.6

TC

/ T

CA

TC

(sec)

TCA (sec)

SOFT

MEDIUM

RIGID

AMPIEZZA PLATEAU: VALORE DI TC

0.2

0.4

0.6

0 0.2 0.4 0.6

TC

A

PGA (g)

PNCR = 10%, TNCR = 475

0.2

0.4

0.6

0 0.2 0.4 0.6

TC

A

PGA (g)

PNCR = 2%, TNCR = 2475

Dipende dalle caratteristiche del sottosuolo TC

Varia da sito a sito TCA

0.0

0.2

0.4

0.6

0 1 2 3 4

Se

(g)

T (sec)

Rigid Soil

TCA

PGA·F

PGA



FORMA SPETTRALE

• Effetti locali determinano ampie variazioni del moto al suolo • Tali variazioni possono essere molto più significative delle differenze tra

PGA e DGA

0.0

0.5

1.0

0 1 2

Se

(g)

T (sec)

Soft Soil

Rigid Soil

TCATC

PGA·F

PGA·S

PGA·F·S

PGA



TERREMOTO DI PROGETTO

Intensità sismica (TNCR) correlata a:

• Vita nominale TL

• Importanza della struttura (i.e., alle conseguenze di un suo collasso)

Fattore di importance I che amplifica PGA (eurocodice)

Vita nominale TL (norme italiane)

Considerazioni:

Vita nominale: è un concetto architettonico relativo alla idoneità della

struttura di svolgere le funzioni per cui è stata progettata

Sicurezza: non deve dipendere da TL

TL = 50 – 100 anni: è comparabile o maggiore dell’attesa di vita delle persone

TL è già correlata all’importanza di una struttura, a causa del suo costo

elevato (si pensi ai ponti di grande luce)




Prevenzione massima azione sismica indipendente da of TL

PSHA: PNCR = 2% in 50 anni minimo valore della probabilità di superamento

dell’azione sismica di riferimento per lo stato limite ultimo(TNCR = 2475 anni)

DSHA: Massimo Evento Credibile (MCE), massimo evento atteso al sito

Per ragioni economiche e architettoniche si accetta un livello inferiore:

• PSHA: valore di PNCR (o TNCR) in funzione del livello di rischio che si accetta

• DSHA: percentuale del massimo effetto associato al MCE

La scelta si basa su considerazioni:

• Ingegneristiche: Conoscenza del comportamento stutturale e capacità di

dissipare energia

• Politiche: quanto possiamo investire sulla nostra sicurezza?



0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 500 1000 1500 2000 2500TR

PGA L'Aquila

TNCR = 475 anni TNCR = 2475 anni


PGA per edifici

ordinari

PNCR = 10% in 50 anni

PGA max

PNCR = 2% in 50 anni



0.0

0.2

0.4

0.6

0.0 0.1 0.2 0.3

PG

A f

or

PN

RC=

2%

(g

)

PGA for PNRC=10% (g)

y = 2.36x

y = 1.37x


PNCR = 10% in 50 anni per edifici ordinari (TNCR = 475 anni) Scelta consapevole che comporta l’accettazione di un certo rischio

Strutture ordinarie (si accetta la possibilità di danni per terremoti violenti)

Una idonea duttilità ve assicurata: DUTT = PGA(2%) / PGA(10%) ≥ 1.5

La struttura non deve collassare sotto il sisma di progetto ma può danneggiarsi analogamente per sismi di maggiore intensità

Sul territorio italiano: PGA(PNCR=2%) = 1.37÷2.36 PGA(PNCR=10%)



IL “PICCO DELLA MIRANDOLA”

32 36 40 44

t (s)

-300

-200

-100

0

100

200

300

acc

(cm

/s/s

)

32 36 40 44

t (s)

-300

-200

-100

0

100

200

300

acc

(cm

/s/s

)

32 36 40 44

t (s)

-300

-200

-100

0

100

200

300

acc

(cm

/s/s

)

2012141020324.84.MRN

MIRANDOLA

NS

UP

WE

0.28g on surface

0.0

0.1

0.2

0.3

0.01 0.10 1.00

PG

A (

g)

PR

MIRANDOLASuolo rigido

Terremoto 2012

2475 anni

1500 years

475 years

0.22g at bedrock

• Edifici esistenti: non antisismici • Edifici industriali: labili per azioni

orizzontali



FATTORE DI COMPORTAMENTO

0.0

0.4

0.8

1.2

0 1 2 3 4

Se

(g)

T (s)

Se-HSA

Sd-HSA

Se-LSA

Sd-LSA

0.0

0.4

0.8

1.2

0 1 2 3 4

Se

(g)

T (s)

Se-HSA

Se-MSA

Se-LSA

Sd,max

Sd (HSA) > Se (LSA)

In zone a bassa sismicità (LSA) si può

progettare senza affidarsi alla duttilità

Non è possibile progettare in campo elastico in zone ad elevata sismicità (HSA) → q

Fissato Sd,max (=0.4g)

(valore massimo accettabile, sulla base

di considerazioni economiche e di

funzionalità)

se Se>Sd,max → Sd=Sd,max

con q = Se/Sd,max minimo necessario



0.0

0.5

1.0

0.0 0.5 1.0 1.5

Dis

trib

uti

on

fu

ncti

on

PGA·F (g)

PNRC=10%

PNRC=2%

FATTORE DI COMPORTAMENTO

q = 1 per definire le azioni sismiche q ≥ 1.5 valore effettivo

Se Sd,max = 0.8g q = 1 possibile in: • 50% for TNCR=2475 a. • 90% for TNCR = 475 a.

Se Sd,max = 0.4g q = 1 possibile in: • 15% per TNCR=2475 a. • 50% per TNCR = 475 a.

Sd,max scelto in funzione della tipologia strutturale



0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

0 1 2 3 4

Se

(g)

T (s)

Se(T) < 0.2 g

2.0

2.5

3.0

0 0.1 0.2 0.3

F0

ag (g)

TR = 475

0.0

0.1

0.2

0 1 2 3 4

Se

(g)

T (s)

Se - fond.

Se - bedrock

agS·F0

agS

ag

Se(T)

ZONE A SISMICITÀ MOLTO BASSA

NTC 2008: ag ≤ 0.05 g (TR=475 anni) = acc. di picco al bedrock

NTC ...: ag·S ≤ 0.075 g = acc. di picco al piano posa fondazioni

Strutture poco sensibili ai terremoti al sito: Se(T) ≤ 0.20g

(dipende anche dalla struttura e vale soprattutto per strutture isolate)

Effetti su strutture: ag·S·F0 ≤ 0.20 g = acc. max spettro e

Valori da riferire al TR= 2475 anni



Tecniche tradizionali non adatte per adeguamento sismico edifici storici:

EDIFICI ESISTENTI: TECNICHE TRADIZ. E INNOV.

Possono solo evitare il collasso

Non possono evitare gravi danni

Le moderne tecnologie, invece:

Riduzione azione sismica

No danni anche per eventi violenti

Scarsa interferenza con la struttura

Incremento di resistenza e duttilità

Irreversibili

Materiali diversi e incompatibili

Concezione strutturale originaria



Edifico in muratura su 4 livelli (55 anni) Retrofit con “Medium Damping Rubber Bearings” (MDNB) 2002 (courtesy by prof. M. Melkumyian)

SCUOLA A VANADZOR, ARMENIA



IRAN BASTAN MUSEUM (TEHRAN)

(P. Clemente, A. Santini, M.G. Ashtiany)



ST. CATHOGHIKEH (YEREVAN, ARMENIA)



0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.0

0.5

1.0

0 1 2 3 4

SD

e(m

)

Se

(g)

T (s)

ELASTIC SPECTRA

Isolation system - SLC

Superstructure - SLV

PROGETTO PRELIMINARE: Tis

Sistema di isolamento: SLC

Sovrastruttura: SLV (q=1.5)

Fondazione: SLV (q=1)

isT

Tis = corrisponde a Se* nello spettro SLV, ma deve anche garantire

*

eS

Disaccoppiamento tra moto edificio e terreno

Spostamento compatibile con il gap disponibile

is bfT T

Se* = corrisponde all’azione

sismica che la sovrastruttura consolidata è in grado si sopportare in campo elastico



PROGETTO PRELIMINARE: RIGIDEZZA

M = massa totale

sovrastruttura

is

esi

MT 2

K

Tis = periodo fondamentale

edificio isolato

Kesi = rigidezza

orizzontale sistema di

isolamento

Modello: scatola rigida con molle orizzontali

Sistema 3 DOF (2 traslazioni + 1 rotazione)

12

1isT

gR d

esie

KK

n

HDRB: rigidezza

singolo isolatore

CSS: raggio

dispositivi

Obiettivo: primi 2 modi traslazionali nelle 2 direzioni principali

HRDB: disposti in modi che GKesi Gmassa

CSS: sempre GKesi Gmassa



Inserimento dei dispositivi:

Nelle pareti del piano terra

Al di sotto delle fondazioni

ISOLAMENTO SISMICO IN FONDAZIONE

Tale soluzione:

Richiede lavori tradizionali

Non è onerosa economicamente

Ma presenta i seguenti svamtaggi:

Modifiche in fondazione

Non è reversibile

Non sempre applicabile in edifici storici



Parete interna

Isolatori Inseriti previa rimozione degli elementi di connessione

Settore cilindrico superiore

Settore cilindrico inferiore Tubi in c.a. inseriti a con tecnica

spingitubo o microtunnelling (D ≥ 2 m)

Terreno Gap

STRUTTURA ISOL. SISMICO EDIFICI ESISTENTI

Brevetto internaz.: P. Clemente (ENEA), A. De Stefano, G. Barla (POLITO)

Parete esterna

Connessione rigida tra l’edificio e il

sistema di isolamento



SISEB: INSERIMENTO DEI TUBI

Scavo trincea

Inserimento tubi mediante spingitubo o micro-tunnelling (no dig

techniques – diametro tubi ≥ 2 m, per consentire l’ispezione)



SISEB: TUBI

Forma particolare

Composti da settori corcolari

inferiori e superiori connessi

medante elementi removibili:

Elementi rossi: sostituiti dagli

isolatori

Elementi grigi: da rimuovere



SISEB: ISOLATORI

Rimozione elementi rossi

Connessione tubi adiacenti con elementi in c.a. o acciaio

Posizionamento dei sispositivi di isolamento

Rimozione elementi grigi



Pareti verticali

Irrigidimento terreno o connessioni rigide tra edificio e sistema di

isolamento

SISEB: PARETI



CASE STUDY: PALAZZO MARGHERITA (PM)

Caratterizzazione dinamica

Miglioramento sismico convenzionale

per sopportare almeno 0.05g

Isolamento sismico

Attenzione a: Vibrazioni indotte

Cedimenti del suolo



PALAZZO MARGHERITA: PLANIMETRIA



PALAZZO MARGHERITA



PREVENZIONE = INFORMAZIONE

EDIFICIO NON

ANTISISMICO

Edifici non adeguati:

• No scuole

• No ospedali

• No edifici strategici



FINE

Grazie per l’attenzione

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