SEMINARIOTerremoto dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischio
Bologna 12 novembre 2018
Johann Facciorusso
La liquefazionedei terreni
johannfdiceaunifiit
METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni - Claudia MadiaiFirenze 24 Ottobre 2017
SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
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PARTE I - Sommario
1 Introduzione
2 Comportamento dei terreni in condizioni di carico dinamico e ciclico
3 La rottura dei terreni incoerenti sotto carico dinamico e ciclico
4 La liquefazione manifestazioni cause scatenanti e cause predisponenti
2
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COMPORTAMENTO DEI TERRENI IN CONDIZIONI DI CARICO
DINAMICO E CICLICO
3
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Le sollecitazioni indotte nel terreno dalle onde sismiche sono
ldquoCICLICHErdquo costituite da una serie (lsquoirregolarersquo) di fasi di carico scarico ricarico
ldquoDINAMICHErdquo caratterizzate da velocitagrave di applicazione cosigrave elevate da non poter trascurare le forze di inerzia e gli effetti indotti sul terreno
ciclica
t(s) t(s)
dinamica e ciclica
Rispetto al caso statico le condizioni dinamiche e cicliche producono nel terrenovariazione delle condizioni di drenaggio della rigidezza e della resistenzaeffetti viscosi
INTRODUZIONE
4
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Numero di cicli e tempi di applicazione (tc) tipici di alcune condizioni di carico
(Ishihara 1996)
Problemi dinamicitclt2-3 s (per ciclo)fgt03-05Hz
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In condizioni sismiche
la velocitagrave delle sollecitazioni indotte nel terreno egrave sufficientemente elevatada poter assumere condizioni di drenaggio impedito (CONDIZIONI NONDRENATE) con possibile accumulo di pressioni interstiziali nei terreni saturi
le deformazioni predominanti (e piugrave critiche per la stabilitagrave dei terreni e delleopere) sono le deformazioni di taglio γ (indotte dalle onde di taglio S)
γ = deformazione di taglio
G = modulo di taglio(o di rigidezza al taglio)
τ = sforzo di taglio
H
σv+τ
+δ σh
σv
-δ-τ
σh
γ = δH = τG
per la risoluzione dei problemi applicativi egrave sufficiente tenere conto dellegame sforzi tangenziali τ-deformazioni tangenziali γ
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prima
σrsquov0
Κ0 σrsquov0
σrsquov
Κ σrsquov
τ σrsquov
Κ σrsquov
τ
τσrsquov
σrsquohτ
σrsquov
σrsquoh
durante
Sollecitazioni su un elemento di terreno in condizioni free-field
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γ
t
γ
τγc
γc
τc
minusγc
minusγc
minusτc
EE
F
C
D
C
D
A
BLFA
B
Comportamento dei terreni in condizioni dinamiche e cicliche
τ
γ
τ
γ8
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γ
τ
γc
τc
minusγc
minusτc
curva dorsale(backbone curve)
τpp
γpp
G1
Si assume come MODULO DI TAGLIO
CICLICOG = τppγpp
congMODULO DI TAGLIO
SECANTE(G = τCγC)
MODULO DI TAGLIO TANGENTE(G = dτdγ)
dτdγ
9
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γ
τ
γc
τc
minusγc
minusτc
curva dorsale(backbone curve)
RAPPORTO DI SMORZAMENTO
∆W=Energia dissipata durante il cicloW=Energia elastica immagazzinata
durante la fase di primo carico
119915119915 =120783120783120786120786120645120645
∆119934119934119934119934
10
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Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento
soglia elastica
soglia volumetrica
deformazioneγ []
Campo di deformazioni piccole medie elevate
10-4 10-3 10-2 10-1 1
11
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Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)
τc2
τc=G0sdotγc
γc1
τc1
γc2 γ
τ
Modulo di taglio G = G0 = Gmax
Rapporto di smorzamentoD = D0
talvolta si assume D0=0
D0
A PICCOLE DEFORMAZIONI
(dominio elastico lineare)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
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1G1
D2
γc2γc1
G21
D1
γ
τ
τc2τc1
G2 lt G1
D2 gtD1
Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)
Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ)
A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ Ν)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)
A DEFORMAZIONIELEVATE
(dominio isteretico instabile)
γc
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
N
N
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi
Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli
Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
∆uN
Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N
Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza
(dyn)stat (N=1)
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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale
SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098
SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0
γ (log)
GG01
098
05
0 γl1 γl2
1 2
γ (log)
GG0
1
06005
0 γv1 γv2
1 2085
∆uσrsquo0
0001
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deformazioneγ []
Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile
Parametri
G0 D0
G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)
τcyc =τcyc (γN)
PROBLEMI TIPICI
Fondazioni di macchine vibranti
vibrazioni da traffico misure geofisiche
Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)
Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)
MODELLI Elastico o viscoelastico lineare
Viscoelastico lineare equivalente o non
lineareElasto-plastico
γl γv
10-4 10-3 10-2 10-1 1 10
Campi di deformazione ndash domini ndash modelli
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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3
A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale
5
4
1
32
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
∆H
H
εa= ∆HH
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e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
5
4
1
32
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
e
σrsquo3
5
e=ecrit
3
Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)
CSL
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante
e
εa
ecrit5
4
1
32
contraente
dilatante
prima contraentepoi dilatante
e
σrsquo3
e=ecrit
contraente
dilatante
CSL
e gt ecrit
e lt ecrit
COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
σrsquo3=cost
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Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
33
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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PARTE I - Sommario
1 Introduzione
2 Comportamento dei terreni in condizioni di carico dinamico e ciclico
3 La rottura dei terreni incoerenti sotto carico dinamico e ciclico
4 La liquefazione manifestazioni cause scatenanti e cause predisponenti
2
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COMPORTAMENTO DEI TERRENI IN CONDIZIONI DI CARICO
DINAMICO E CICLICO
3
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Le sollecitazioni indotte nel terreno dalle onde sismiche sono
ldquoCICLICHErdquo costituite da una serie (lsquoirregolarersquo) di fasi di carico scarico ricarico
ldquoDINAMICHErdquo caratterizzate da velocitagrave di applicazione cosigrave elevate da non poter trascurare le forze di inerzia e gli effetti indotti sul terreno
ciclica
t(s) t(s)
dinamica e ciclica
Rispetto al caso statico le condizioni dinamiche e cicliche producono nel terrenovariazione delle condizioni di drenaggio della rigidezza e della resistenzaeffetti viscosi
INTRODUZIONE
4
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Numero di cicli e tempi di applicazione (tc) tipici di alcune condizioni di carico
(Ishihara 1996)
Problemi dinamicitclt2-3 s (per ciclo)fgt03-05Hz
5
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In condizioni sismiche
la velocitagrave delle sollecitazioni indotte nel terreno egrave sufficientemente elevatada poter assumere condizioni di drenaggio impedito (CONDIZIONI NONDRENATE) con possibile accumulo di pressioni interstiziali nei terreni saturi
le deformazioni predominanti (e piugrave critiche per la stabilitagrave dei terreni e delleopere) sono le deformazioni di taglio γ (indotte dalle onde di taglio S)
γ = deformazione di taglio
G = modulo di taglio(o di rigidezza al taglio)
τ = sforzo di taglio
H
σv+τ
+δ σh
σv
-δ-τ
σh
γ = δH = τG
per la risoluzione dei problemi applicativi egrave sufficiente tenere conto dellegame sforzi tangenziali τ-deformazioni tangenziali γ
6
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prima
σrsquov0
Κ0 σrsquov0
σrsquov
Κ σrsquov
τ σrsquov
Κ σrsquov
τ
τσrsquov
σrsquohτ
σrsquov
σrsquoh
durante
Sollecitazioni su un elemento di terreno in condizioni free-field
7
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γ
t
γ
τγc
γc
τc
minusγc
minusγc
minusτc
EE
F
C
D
C
D
A
BLFA
B
Comportamento dei terreni in condizioni dinamiche e cicliche
τ
γ
τ
γ8
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9
γ
τ
γc
τc
minusγc
minusτc
curva dorsale(backbone curve)
τpp
γpp
G1
Si assume come MODULO DI TAGLIO
CICLICOG = τppγpp
congMODULO DI TAGLIO
SECANTE(G = τCγC)
MODULO DI TAGLIO TANGENTE(G = dτdγ)
dτdγ
9
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γ
τ
γc
τc
minusγc
minusτc
curva dorsale(backbone curve)
RAPPORTO DI SMORZAMENTO
∆W=Energia dissipata durante il cicloW=Energia elastica immagazzinata
durante la fase di primo carico
119915119915 =120783120783120786120786120645120645
∆119934119934119934119934
10
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Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento
soglia elastica
soglia volumetrica
deformazioneγ []
Campo di deformazioni piccole medie elevate
10-4 10-3 10-2 10-1 1
11
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Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)
τc2
τc=G0sdotγc
γc1
τc1
γc2 γ
τ
Modulo di taglio G = G0 = Gmax
Rapporto di smorzamentoD = D0
talvolta si assume D0=0
D0
A PICCOLE DEFORMAZIONI
(dominio elastico lineare)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
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1G1
D2
γc2γc1
G21
D1
γ
τ
τc2τc1
G2 lt G1
D2 gtD1
Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)
Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ)
A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ Ν)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)
A DEFORMAZIONIELEVATE
(dominio isteretico instabile)
γc
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
N
N
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi
Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli
Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
∆uN
Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N
Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza
(dyn)stat (N=1)
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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale
SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098
SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0
γ (log)
GG01
098
05
0 γl1 γl2
1 2
γ (log)
GG0
1
06005
0 γv1 γv2
1 2085
∆uσrsquo0
0001
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deformazioneγ []
Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile
Parametri
G0 D0
G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)
τcyc =τcyc (γN)
PROBLEMI TIPICI
Fondazioni di macchine vibranti
vibrazioni da traffico misure geofisiche
Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)
Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)
MODELLI Elastico o viscoelastico lineare
Viscoelastico lineare equivalente o non
lineareElasto-plastico
γl γv
10-4 10-3 10-2 10-1 1 10
Campi di deformazione ndash domini ndash modelli
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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3
A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale
5
4
1
32
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
∆H
H
εa= ∆HH
19
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e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
5
4
1
32
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
e
σrsquo3
5
e=ecrit
3
Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)
CSL
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante
e
εa
ecrit5
4
1
32
contraente
dilatante
prima contraentepoi dilatante
e
σrsquo3
e=ecrit
contraente
dilatante
CSL
e gt ecrit
e lt ecrit
COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
σrsquo3=cost
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Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
24
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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COMPORTAMENTO DEI TERRENI IN CONDIZIONI DI CARICO
DINAMICO E CICLICO
3
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Le sollecitazioni indotte nel terreno dalle onde sismiche sono
ldquoCICLICHErdquo costituite da una serie (lsquoirregolarersquo) di fasi di carico scarico ricarico
ldquoDINAMICHErdquo caratterizzate da velocitagrave di applicazione cosigrave elevate da non poter trascurare le forze di inerzia e gli effetti indotti sul terreno
ciclica
t(s) t(s)
dinamica e ciclica
Rispetto al caso statico le condizioni dinamiche e cicliche producono nel terrenovariazione delle condizioni di drenaggio della rigidezza e della resistenzaeffetti viscosi
INTRODUZIONE
4
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Numero di cicli e tempi di applicazione (tc) tipici di alcune condizioni di carico
(Ishihara 1996)
Problemi dinamicitclt2-3 s (per ciclo)fgt03-05Hz
5
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In condizioni sismiche
la velocitagrave delle sollecitazioni indotte nel terreno egrave sufficientemente elevatada poter assumere condizioni di drenaggio impedito (CONDIZIONI NONDRENATE) con possibile accumulo di pressioni interstiziali nei terreni saturi
le deformazioni predominanti (e piugrave critiche per la stabilitagrave dei terreni e delleopere) sono le deformazioni di taglio γ (indotte dalle onde di taglio S)
γ = deformazione di taglio
G = modulo di taglio(o di rigidezza al taglio)
τ = sforzo di taglio
H
σv+τ
+δ σh
σv
-δ-τ
σh
γ = δH = τG
per la risoluzione dei problemi applicativi egrave sufficiente tenere conto dellegame sforzi tangenziali τ-deformazioni tangenziali γ
6
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prima
σrsquov0
Κ0 σrsquov0
σrsquov
Κ σrsquov
τ σrsquov
Κ σrsquov
τ
τσrsquov
σrsquohτ
σrsquov
σrsquoh
durante
Sollecitazioni su un elemento di terreno in condizioni free-field
7
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γ
t
γ
τγc
γc
τc
minusγc
minusγc
minusτc
EE
F
C
D
C
D
A
BLFA
B
Comportamento dei terreni in condizioni dinamiche e cicliche
τ
γ
τ
γ8
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9
γ
τ
γc
τc
minusγc
minusτc
curva dorsale(backbone curve)
τpp
γpp
G1
Si assume come MODULO DI TAGLIO
CICLICOG = τppγpp
congMODULO DI TAGLIO
SECANTE(G = τCγC)
MODULO DI TAGLIO TANGENTE(G = dτdγ)
dτdγ
9
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10
γ
τ
γc
τc
minusγc
minusτc
curva dorsale(backbone curve)
RAPPORTO DI SMORZAMENTO
∆W=Energia dissipata durante il cicloW=Energia elastica immagazzinata
durante la fase di primo carico
119915119915 =120783120783120786120786120645120645
∆119934119934119934119934
10
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11
Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento
soglia elastica
soglia volumetrica
deformazioneγ []
Campo di deformazioni piccole medie elevate
10-4 10-3 10-2 10-1 1
11
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Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)
τc2
τc=G0sdotγc
γc1
τc1
γc2 γ
τ
Modulo di taglio G = G0 = Gmax
Rapporto di smorzamentoD = D0
talvolta si assume D0=0
D0
A PICCOLE DEFORMAZIONI
(dominio elastico lineare)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
12
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1G1
D2
γc2γc1
G21
D1
γ
τ
τc2τc1
G2 lt G1
D2 gtD1
Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)
Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ)
A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
13
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ Ν)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)
A DEFORMAZIONIELEVATE
(dominio isteretico instabile)
γc
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
N
N
14
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi
Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli
Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
∆uN
Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N
Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza
(dyn)stat (N=1)
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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale
SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098
SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0
γ (log)
GG01
098
05
0 γl1 γl2
1 2
γ (log)
GG0
1
06005
0 γv1 γv2
1 2085
∆uσrsquo0
0001
16
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deformazioneγ []
Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile
Parametri
G0 D0
G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)
τcyc =τcyc (γN)
PROBLEMI TIPICI
Fondazioni di macchine vibranti
vibrazioni da traffico misure geofisiche
Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)
Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)
MODELLI Elastico o viscoelastico lineare
Viscoelastico lineare equivalente o non
lineareElasto-plastico
γl γv
10-4 10-3 10-2 10-1 1 10
Campi di deformazione ndash domini ndash modelli
17
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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO
18
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3
A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale
5
4
1
32
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
∆H
H
εa= ∆HH
19
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e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
5
4
1
32
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
e
σrsquo3
5
e=ecrit
3
Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)
CSL
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
20
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante
e
εa
ecrit5
4
1
32
contraente
dilatante
prima contraentepoi dilatante
e
σrsquo3
e=ecrit
contraente
dilatante
CSL
e gt ecrit
e lt ecrit
COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
σrsquo3=cost
21
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Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
22
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
23
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
24
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
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Le sollecitazioni indotte nel terreno dalle onde sismiche sono
ldquoCICLICHErdquo costituite da una serie (lsquoirregolarersquo) di fasi di carico scarico ricarico
ldquoDINAMICHErdquo caratterizzate da velocitagrave di applicazione cosigrave elevate da non poter trascurare le forze di inerzia e gli effetti indotti sul terreno
ciclica
t(s) t(s)
dinamica e ciclica
Rispetto al caso statico le condizioni dinamiche e cicliche producono nel terrenovariazione delle condizioni di drenaggio della rigidezza e della resistenzaeffetti viscosi
INTRODUZIONE
4
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Numero di cicli e tempi di applicazione (tc) tipici di alcune condizioni di carico
(Ishihara 1996)
Problemi dinamicitclt2-3 s (per ciclo)fgt03-05Hz
5
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In condizioni sismiche
la velocitagrave delle sollecitazioni indotte nel terreno egrave sufficientemente elevatada poter assumere condizioni di drenaggio impedito (CONDIZIONI NONDRENATE) con possibile accumulo di pressioni interstiziali nei terreni saturi
le deformazioni predominanti (e piugrave critiche per la stabilitagrave dei terreni e delleopere) sono le deformazioni di taglio γ (indotte dalle onde di taglio S)
γ = deformazione di taglio
G = modulo di taglio(o di rigidezza al taglio)
τ = sforzo di taglio
H
σv+τ
+δ σh
σv
-δ-τ
σh
γ = δH = τG
per la risoluzione dei problemi applicativi egrave sufficiente tenere conto dellegame sforzi tangenziali τ-deformazioni tangenziali γ
6
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prima
σrsquov0
Κ0 σrsquov0
σrsquov
Κ σrsquov
τ σrsquov
Κ σrsquov
τ
τσrsquov
σrsquohτ
σrsquov
σrsquoh
durante
Sollecitazioni su un elemento di terreno in condizioni free-field
7
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γ
t
γ
τγc
γc
τc
minusγc
minusγc
minusτc
EE
F
C
D
C
D
A
BLFA
B
Comportamento dei terreni in condizioni dinamiche e cicliche
τ
γ
τ
γ8
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9
γ
τ
γc
τc
minusγc
minusτc
curva dorsale(backbone curve)
τpp
γpp
G1
Si assume come MODULO DI TAGLIO
CICLICOG = τppγpp
congMODULO DI TAGLIO
SECANTE(G = τCγC)
MODULO DI TAGLIO TANGENTE(G = dτdγ)
dτdγ
9
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10
γ
τ
γc
τc
minusγc
minusτc
curva dorsale(backbone curve)
RAPPORTO DI SMORZAMENTO
∆W=Energia dissipata durante il cicloW=Energia elastica immagazzinata
durante la fase di primo carico
119915119915 =120783120783120786120786120645120645
∆119934119934119934119934
10
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11
Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento
soglia elastica
soglia volumetrica
deformazioneγ []
Campo di deformazioni piccole medie elevate
10-4 10-3 10-2 10-1 1
11
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Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)
τc2
τc=G0sdotγc
γc1
τc1
γc2 γ
τ
Modulo di taglio G = G0 = Gmax
Rapporto di smorzamentoD = D0
talvolta si assume D0=0
D0
A PICCOLE DEFORMAZIONI
(dominio elastico lineare)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
12
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1G1
D2
γc2γc1
G21
D1
γ
τ
τc2τc1
G2 lt G1
D2 gtD1
Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)
Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ)
A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ Ν)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)
A DEFORMAZIONIELEVATE
(dominio isteretico instabile)
γc
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
N
N
14
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi
Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli
Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
∆uN
Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N
Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza
(dyn)stat (N=1)
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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale
SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098
SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0
γ (log)
GG01
098
05
0 γl1 γl2
1 2
γ (log)
GG0
1
06005
0 γv1 γv2
1 2085
∆uσrsquo0
0001
16
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deformazioneγ []
Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile
Parametri
G0 D0
G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)
τcyc =τcyc (γN)
PROBLEMI TIPICI
Fondazioni di macchine vibranti
vibrazioni da traffico misure geofisiche
Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)
Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)
MODELLI Elastico o viscoelastico lineare
Viscoelastico lineare equivalente o non
lineareElasto-plastico
γl γv
10-4 10-3 10-2 10-1 1 10
Campi di deformazione ndash domini ndash modelli
17
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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO
18
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3
A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale
5
4
1
32
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
∆H
H
εa= ∆HH
19
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e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
5
4
1
32
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
e
σrsquo3
5
e=ecrit
3
Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)
CSL
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
20
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante
e
εa
ecrit5
4
1
32
contraente
dilatante
prima contraentepoi dilatante
e
σrsquo3
e=ecrit
contraente
dilatante
CSL
e gt ecrit
e lt ecrit
COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
σrsquo3=cost
21
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Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
23
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
24
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
40
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
41
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
45
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
48
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
49
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
50
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
51
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
54
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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Numero di cicli e tempi di applicazione (tc) tipici di alcune condizioni di carico
(Ishihara 1996)
Problemi dinamicitclt2-3 s (per ciclo)fgt03-05Hz
5
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In condizioni sismiche
la velocitagrave delle sollecitazioni indotte nel terreno egrave sufficientemente elevatada poter assumere condizioni di drenaggio impedito (CONDIZIONI NONDRENATE) con possibile accumulo di pressioni interstiziali nei terreni saturi
le deformazioni predominanti (e piugrave critiche per la stabilitagrave dei terreni e delleopere) sono le deformazioni di taglio γ (indotte dalle onde di taglio S)
γ = deformazione di taglio
G = modulo di taglio(o di rigidezza al taglio)
τ = sforzo di taglio
H
σv+τ
+δ σh
σv
-δ-τ
σh
γ = δH = τG
per la risoluzione dei problemi applicativi egrave sufficiente tenere conto dellegame sforzi tangenziali τ-deformazioni tangenziali γ
6
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prima
σrsquov0
Κ0 σrsquov0
σrsquov
Κ σrsquov
τ σrsquov
Κ σrsquov
τ
τσrsquov
σrsquohτ
σrsquov
σrsquoh
durante
Sollecitazioni su un elemento di terreno in condizioni free-field
7
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γ
t
γ
τγc
γc
τc
minusγc
minusγc
minusτc
EE
F
C
D
C
D
A
BLFA
B
Comportamento dei terreni in condizioni dinamiche e cicliche
τ
γ
τ
γ8
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9
γ
τ
γc
τc
minusγc
minusτc
curva dorsale(backbone curve)
τpp
γpp
G1
Si assume come MODULO DI TAGLIO
CICLICOG = τppγpp
congMODULO DI TAGLIO
SECANTE(G = τCγC)
MODULO DI TAGLIO TANGENTE(G = dτdγ)
dτdγ
9
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10
γ
τ
γc
τc
minusγc
minusτc
curva dorsale(backbone curve)
RAPPORTO DI SMORZAMENTO
∆W=Energia dissipata durante il cicloW=Energia elastica immagazzinata
durante la fase di primo carico
119915119915 =120783120783120786120786120645120645
∆119934119934119934119934
10
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11
Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento
soglia elastica
soglia volumetrica
deformazioneγ []
Campo di deformazioni piccole medie elevate
10-4 10-3 10-2 10-1 1
11
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Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)
τc2
τc=G0sdotγc
γc1
τc1
γc2 γ
τ
Modulo di taglio G = G0 = Gmax
Rapporto di smorzamentoD = D0
talvolta si assume D0=0
D0
A PICCOLE DEFORMAZIONI
(dominio elastico lineare)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
12
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1G1
D2
γc2γc1
G21
D1
γ
τ
τc2τc1
G2 lt G1
D2 gtD1
Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)
Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ)
A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
13
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ Ν)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)
A DEFORMAZIONIELEVATE
(dominio isteretico instabile)
γc
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
N
N
14
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi
Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli
Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
∆uN
Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N
Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza
(dyn)stat (N=1)
15
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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale
SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098
SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0
γ (log)
GG01
098
05
0 γl1 γl2
1 2
γ (log)
GG0
1
06005
0 γv1 γv2
1 2085
∆uσrsquo0
0001
16
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deformazioneγ []
Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile
Parametri
G0 D0
G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)
τcyc =τcyc (γN)
PROBLEMI TIPICI
Fondazioni di macchine vibranti
vibrazioni da traffico misure geofisiche
Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)
Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)
MODELLI Elastico o viscoelastico lineare
Viscoelastico lineare equivalente o non
lineareElasto-plastico
γl γv
10-4 10-3 10-2 10-1 1 10
Campi di deformazione ndash domini ndash modelli
17
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO
18
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3
A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale
5
4
1
32
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
∆H
H
εa= ∆HH
19
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e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
5
4
1
32
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
e
σrsquo3
5
e=ecrit
3
Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)
CSL
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante
e
εa
ecrit5
4
1
32
contraente
dilatante
prima contraentepoi dilatante
e
σrsquo3
e=ecrit
contraente
dilatante
CSL
e gt ecrit
e lt ecrit
COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
σrsquo3=cost
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Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
40
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
44
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
45
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
48
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
49
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
50
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
51
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
54
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
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In condizioni sismiche
la velocitagrave delle sollecitazioni indotte nel terreno egrave sufficientemente elevatada poter assumere condizioni di drenaggio impedito (CONDIZIONI NONDRENATE) con possibile accumulo di pressioni interstiziali nei terreni saturi
le deformazioni predominanti (e piugrave critiche per la stabilitagrave dei terreni e delleopere) sono le deformazioni di taglio γ (indotte dalle onde di taglio S)
γ = deformazione di taglio
G = modulo di taglio(o di rigidezza al taglio)
τ = sforzo di taglio
H
σv+τ
+δ σh
σv
-δ-τ
σh
γ = δH = τG
per la risoluzione dei problemi applicativi egrave sufficiente tenere conto dellegame sforzi tangenziali τ-deformazioni tangenziali γ
6
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prima
σrsquov0
Κ0 σrsquov0
σrsquov
Κ σrsquov
τ σrsquov
Κ σrsquov
τ
τσrsquov
σrsquohτ
σrsquov
σrsquoh
durante
Sollecitazioni su un elemento di terreno in condizioni free-field
7
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γ
t
γ
τγc
γc
τc
minusγc
minusγc
minusτc
EE
F
C
D
C
D
A
BLFA
B
Comportamento dei terreni in condizioni dinamiche e cicliche
τ
γ
τ
γ8
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9
γ
τ
γc
τc
minusγc
minusτc
curva dorsale(backbone curve)
τpp
γpp
G1
Si assume come MODULO DI TAGLIO
CICLICOG = τppγpp
congMODULO DI TAGLIO
SECANTE(G = τCγC)
MODULO DI TAGLIO TANGENTE(G = dτdγ)
dτdγ
9
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10
γ
τ
γc
τc
minusγc
minusτc
curva dorsale(backbone curve)
RAPPORTO DI SMORZAMENTO
∆W=Energia dissipata durante il cicloW=Energia elastica immagazzinata
durante la fase di primo carico
119915119915 =120783120783120786120786120645120645
∆119934119934119934119934
10
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11
Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento
soglia elastica
soglia volumetrica
deformazioneγ []
Campo di deformazioni piccole medie elevate
10-4 10-3 10-2 10-1 1
11
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Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)
τc2
τc=G0sdotγc
γc1
τc1
γc2 γ
τ
Modulo di taglio G = G0 = Gmax
Rapporto di smorzamentoD = D0
talvolta si assume D0=0
D0
A PICCOLE DEFORMAZIONI
(dominio elastico lineare)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
12
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1G1
D2
γc2γc1
G21
D1
γ
τ
τc2τc1
G2 lt G1
D2 gtD1
Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)
Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ)
A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
13
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ Ν)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)
A DEFORMAZIONIELEVATE
(dominio isteretico instabile)
γc
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
N
N
14
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi
Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli
Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
∆uN
Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N
Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza
(dyn)stat (N=1)
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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale
SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098
SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0
γ (log)
GG01
098
05
0 γl1 γl2
1 2
γ (log)
GG0
1
06005
0 γv1 γv2
1 2085
∆uσrsquo0
0001
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deformazioneγ []
Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile
Parametri
G0 D0
G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)
τcyc =τcyc (γN)
PROBLEMI TIPICI
Fondazioni di macchine vibranti
vibrazioni da traffico misure geofisiche
Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)
Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)
MODELLI Elastico o viscoelastico lineare
Viscoelastico lineare equivalente o non
lineareElasto-plastico
γl γv
10-4 10-3 10-2 10-1 1 10
Campi di deformazione ndash domini ndash modelli
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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3
A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale
5
4
1
32
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
∆H
H
εa= ∆HH
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e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
5
4
1
32
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
e
σrsquo3
5
e=ecrit
3
Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)
CSL
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante
e
εa
ecrit5
4
1
32
contraente
dilatante
prima contraentepoi dilatante
e
σrsquo3
e=ecrit
contraente
dilatante
CSL
e gt ecrit
e lt ecrit
COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
σrsquo3=cost
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Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
40
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
43
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
44
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
45
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
48
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
49
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
50
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
51
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
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prima
σrsquov0
Κ0 σrsquov0
σrsquov
Κ σrsquov
τ σrsquov
Κ σrsquov
τ
τσrsquov
σrsquohτ
σrsquov
σrsquoh
durante
Sollecitazioni su un elemento di terreno in condizioni free-field
7
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γ
t
γ
τγc
γc
τc
minusγc
minusγc
minusτc
EE
F
C
D
C
D
A
BLFA
B
Comportamento dei terreni in condizioni dinamiche e cicliche
τ
γ
τ
γ8
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9
γ
τ
γc
τc
minusγc
minusτc
curva dorsale(backbone curve)
τpp
γpp
G1
Si assume come MODULO DI TAGLIO
CICLICOG = τppγpp
congMODULO DI TAGLIO
SECANTE(G = τCγC)
MODULO DI TAGLIO TANGENTE(G = dτdγ)
dτdγ
9
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10
γ
τ
γc
τc
minusγc
minusτc
curva dorsale(backbone curve)
RAPPORTO DI SMORZAMENTO
∆W=Energia dissipata durante il cicloW=Energia elastica immagazzinata
durante la fase di primo carico
119915119915 =120783120783120786120786120645120645
∆119934119934119934119934
10
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11
Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento
soglia elastica
soglia volumetrica
deformazioneγ []
Campo di deformazioni piccole medie elevate
10-4 10-3 10-2 10-1 1
11
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Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)
τc2
τc=G0sdotγc
γc1
τc1
γc2 γ
τ
Modulo di taglio G = G0 = Gmax
Rapporto di smorzamentoD = D0
talvolta si assume D0=0
D0
A PICCOLE DEFORMAZIONI
(dominio elastico lineare)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
12
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1G1
D2
γc2γc1
G21
D1
γ
τ
τc2τc1
G2 lt G1
D2 gtD1
Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)
Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ)
A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
13
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ Ν)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)
A DEFORMAZIONIELEVATE
(dominio isteretico instabile)
γc
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
N
N
14
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi
Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli
Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
∆uN
Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N
Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza
(dyn)stat (N=1)
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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale
SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098
SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0
γ (log)
GG01
098
05
0 γl1 γl2
1 2
γ (log)
GG0
1
06005
0 γv1 γv2
1 2085
∆uσrsquo0
0001
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deformazioneγ []
Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile
Parametri
G0 D0
G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)
τcyc =τcyc (γN)
PROBLEMI TIPICI
Fondazioni di macchine vibranti
vibrazioni da traffico misure geofisiche
Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)
Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)
MODELLI Elastico o viscoelastico lineare
Viscoelastico lineare equivalente o non
lineareElasto-plastico
γl γv
10-4 10-3 10-2 10-1 1 10
Campi di deformazione ndash domini ndash modelli
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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO
18
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3
A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale
5
4
1
32
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
∆H
H
εa= ∆HH
19
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e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
5
4
1
32
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
e
σrsquo3
5
e=ecrit
3
Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)
CSL
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante
e
εa
ecrit5
4
1
32
contraente
dilatante
prima contraentepoi dilatante
e
σrsquo3
e=ecrit
contraente
dilatante
CSL
e gt ecrit
e lt ecrit
COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
σrsquo3=cost
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Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
24
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
30
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
39
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
40
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
41
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
42
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
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γ
t
γ
τγc
γc
τc
minusγc
minusγc
minusτc
EE
F
C
D
C
D
A
BLFA
B
Comportamento dei terreni in condizioni dinamiche e cicliche
τ
γ
τ
γ8
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9
γ
τ
γc
τc
minusγc
minusτc
curva dorsale(backbone curve)
τpp
γpp
G1
Si assume come MODULO DI TAGLIO
CICLICOG = τppγpp
congMODULO DI TAGLIO
SECANTE(G = τCγC)
MODULO DI TAGLIO TANGENTE(G = dτdγ)
dτdγ
9
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10
γ
τ
γc
τc
minusγc
minusτc
curva dorsale(backbone curve)
RAPPORTO DI SMORZAMENTO
∆W=Energia dissipata durante il cicloW=Energia elastica immagazzinata
durante la fase di primo carico
119915119915 =120783120783120786120786120645120645
∆119934119934119934119934
10
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Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento
soglia elastica
soglia volumetrica
deformazioneγ []
Campo di deformazioni piccole medie elevate
10-4 10-3 10-2 10-1 1
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Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)
τc2
τc=G0sdotγc
γc1
τc1
γc2 γ
τ
Modulo di taglio G = G0 = Gmax
Rapporto di smorzamentoD = D0
talvolta si assume D0=0
D0
A PICCOLE DEFORMAZIONI
(dominio elastico lineare)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
12
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
1G1
D2
γc2γc1
G21
D1
γ
τ
τc2τc1
G2 lt G1
D2 gtD1
Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)
Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ)
A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
13
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ Ν)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)
A DEFORMAZIONIELEVATE
(dominio isteretico instabile)
γc
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
N
N
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi
Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli
Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
∆uN
Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N
Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza
(dyn)stat (N=1)
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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale
SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098
SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0
γ (log)
GG01
098
05
0 γl1 γl2
1 2
γ (log)
GG0
1
06005
0 γv1 γv2
1 2085
∆uσrsquo0
0001
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deformazioneγ []
Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile
Parametri
G0 D0
G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)
τcyc =τcyc (γN)
PROBLEMI TIPICI
Fondazioni di macchine vibranti
vibrazioni da traffico misure geofisiche
Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)
Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)
MODELLI Elastico o viscoelastico lineare
Viscoelastico lineare equivalente o non
lineareElasto-plastico
γl γv
10-4 10-3 10-2 10-1 1 10
Campi di deformazione ndash domini ndash modelli
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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3
A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale
5
4
1
32
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
∆H
H
εa= ∆HH
19
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e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
5
4
1
32
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
e
σrsquo3
5
e=ecrit
3
Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)
CSL
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante
e
εa
ecrit5
4
1
32
contraente
dilatante
prima contraentepoi dilatante
e
σrsquo3
e=ecrit
contraente
dilatante
CSL
e gt ecrit
e lt ecrit
COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
σrsquo3=cost
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Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
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γ
τ
γc
τc
minusγc
minusτc
curva dorsale(backbone curve)
τpp
γpp
G1
Si assume come MODULO DI TAGLIO
CICLICOG = τppγpp
congMODULO DI TAGLIO
SECANTE(G = τCγC)
MODULO DI TAGLIO TANGENTE(G = dτdγ)
dτdγ
9
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γ
τ
γc
τc
minusγc
minusτc
curva dorsale(backbone curve)
RAPPORTO DI SMORZAMENTO
∆W=Energia dissipata durante il cicloW=Energia elastica immagazzinata
durante la fase di primo carico
119915119915 =120783120783120786120786120645120645
∆119934119934119934119934
10
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Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento
soglia elastica
soglia volumetrica
deformazioneγ []
Campo di deformazioni piccole medie elevate
10-4 10-3 10-2 10-1 1
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Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)
τc2
τc=G0sdotγc
γc1
τc1
γc2 γ
τ
Modulo di taglio G = G0 = Gmax
Rapporto di smorzamentoD = D0
talvolta si assume D0=0
D0
A PICCOLE DEFORMAZIONI
(dominio elastico lineare)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
1G1
D2
γc2γc1
G21
D1
γ
τ
τc2τc1
G2 lt G1
D2 gtD1
Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)
Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ)
A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
13
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ Ν)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)
A DEFORMAZIONIELEVATE
(dominio isteretico instabile)
γc
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
N
N
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi
Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli
Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
∆uN
Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N
Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza
(dyn)stat (N=1)
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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale
SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098
SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0
γ (log)
GG01
098
05
0 γl1 γl2
1 2
γ (log)
GG0
1
06005
0 γv1 γv2
1 2085
∆uσrsquo0
0001
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deformazioneγ []
Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile
Parametri
G0 D0
G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)
τcyc =τcyc (γN)
PROBLEMI TIPICI
Fondazioni di macchine vibranti
vibrazioni da traffico misure geofisiche
Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)
Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)
MODELLI Elastico o viscoelastico lineare
Viscoelastico lineare equivalente o non
lineareElasto-plastico
γl γv
10-4 10-3 10-2 10-1 1 10
Campi di deformazione ndash domini ndash modelli
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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3
A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale
5
4
1
32
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
∆H
H
εa= ∆HH
19
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e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
5
4
1
32
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
e
σrsquo3
5
e=ecrit
3
Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)
CSL
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante
e
εa
ecrit5
4
1
32
contraente
dilatante
prima contraentepoi dilatante
e
σrsquo3
e=ecrit
contraente
dilatante
CSL
e gt ecrit
e lt ecrit
COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
σrsquo3=cost
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Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
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γ
τ
γc
τc
minusγc
minusτc
curva dorsale(backbone curve)
RAPPORTO DI SMORZAMENTO
∆W=Energia dissipata durante il cicloW=Energia elastica immagazzinata
durante la fase di primo carico
119915119915 =120783120783120786120786120645120645
∆119934119934119934119934
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Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento
soglia elastica
soglia volumetrica
deformazioneγ []
Campo di deformazioni piccole medie elevate
10-4 10-3 10-2 10-1 1
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Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)
τc2
τc=G0sdotγc
γc1
τc1
γc2 γ
τ
Modulo di taglio G = G0 = Gmax
Rapporto di smorzamentoD = D0
talvolta si assume D0=0
D0
A PICCOLE DEFORMAZIONI
(dominio elastico lineare)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
12
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1G1
D2
γc2γc1
G21
D1
γ
τ
τc2τc1
G2 lt G1
D2 gtD1
Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)
Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ)
A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
13
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ Ν)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)
A DEFORMAZIONIELEVATE
(dominio isteretico instabile)
γc
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
N
N
14
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi
Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli
Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
∆uN
Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N
Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza
(dyn)stat (N=1)
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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale
SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098
SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0
γ (log)
GG01
098
05
0 γl1 γl2
1 2
γ (log)
GG0
1
06005
0 γv1 γv2
1 2085
∆uσrsquo0
0001
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deformazioneγ []
Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile
Parametri
G0 D0
G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)
τcyc =τcyc (γN)
PROBLEMI TIPICI
Fondazioni di macchine vibranti
vibrazioni da traffico misure geofisiche
Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)
Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)
MODELLI Elastico o viscoelastico lineare
Viscoelastico lineare equivalente o non
lineareElasto-plastico
γl γv
10-4 10-3 10-2 10-1 1 10
Campi di deformazione ndash domini ndash modelli
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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO
18
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3
A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale
5
4
1
32
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
∆H
H
εa= ∆HH
19
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e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
5
4
1
32
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
e
σrsquo3
5
e=ecrit
3
Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)
CSL
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante
e
εa
ecrit5
4
1
32
contraente
dilatante
prima contraentepoi dilatante
e
σrsquo3
e=ecrit
contraente
dilatante
CSL
e gt ecrit
e lt ecrit
COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
σrsquo3=cost
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Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
24
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
30
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
39
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
40
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
41
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
42
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
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Il comportamento del terreno egrave fortemente dipendente dallrsquoentitagrave delladeformazioneIn particolare in condizioni dinamichecicliche si identificano 3 differenticampi di deformazione a diverso comportamento
soglia elastica
soglia volumetrica
deformazioneγ []
Campo di deformazioni piccole medie elevate
10-4 10-3 10-2 10-1 1
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Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)
τc2
τc=G0sdotγc
γc1
τc1
γc2 γ
τ
Modulo di taglio G = G0 = Gmax
Rapporto di smorzamentoD = D0
talvolta si assume D0=0
D0
A PICCOLE DEFORMAZIONI
(dominio elastico lineare)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
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1G1
D2
γc2γc1
G21
D1
γ
τ
τc2τc1
G2 lt G1
D2 gtD1
Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)
Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ)
A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
13
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ Ν)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)
A DEFORMAZIONIELEVATE
(dominio isteretico instabile)
γc
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
N
N
14
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi
Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli
Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
∆uN
Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N
Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza
(dyn)stat (N=1)
15
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale
SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098
SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0
γ (log)
GG01
098
05
0 γl1 γl2
1 2
γ (log)
GG0
1
06005
0 γv1 γv2
1 2085
∆uσrsquo0
0001
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deformazioneγ []
Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile
Parametri
G0 D0
G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)
τcyc =τcyc (γN)
PROBLEMI TIPICI
Fondazioni di macchine vibranti
vibrazioni da traffico misure geofisiche
Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)
Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)
MODELLI Elastico o viscoelastico lineare
Viscoelastico lineare equivalente o non
lineareElasto-plastico
γl γv
10-4 10-3 10-2 10-1 1 10
Campi di deformazione ndash domini ndash modelli
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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO
18
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3
A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale
5
4
1
32
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
∆H
H
εa= ∆HH
19
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e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
5
4
1
32
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
e
σrsquo3
5
e=ecrit
3
Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)
CSL
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante
e
εa
ecrit5
4
1
32
contraente
dilatante
prima contraentepoi dilatante
e
σrsquo3
e=ecrit
contraente
dilatante
CSL
e gt ecrit
e lt ecrit
COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
σrsquo3=cost
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Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
40
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
41
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
44
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
45
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
48
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
49
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
50
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
51
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
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Comportamento dei terreni a bassi livelli deformativiA piccole deformazioni il comportamento egrave approssimativamente visco-elastico lineare (modulo di taglio e rapporto di smorzamentoindipendenti sia dalla deformazione γc sia dal numero di cicli N e pari aivalori iniziali)
τc2
τc=G0sdotγc
γc1
τc1
γc2 γ
τ
Modulo di taglio G = G0 = Gmax
Rapporto di smorzamentoD = D0
talvolta si assume D0=0
D0
A PICCOLE DEFORMAZIONI
(dominio elastico lineare)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
12
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1G1
D2
γc2γc1
G21
D1
γ
τ
τc2τc1
G2 lt G1
D2 gtD1
Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)
Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ)
A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
13
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ Ν)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)
A DEFORMAZIONIELEVATE
(dominio isteretico instabile)
γc
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
N
N
14
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi
Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli
Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
∆uN
Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N
Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza
(dyn)stat (N=1)
15
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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale
SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098
SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0
γ (log)
GG01
098
05
0 γl1 γl2
1 2
γ (log)
GG0
1
06005
0 γv1 γv2
1 2085
∆uσrsquo0
0001
16
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deformazioneγ []
Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile
Parametri
G0 D0
G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)
τcyc =τcyc (γN)
PROBLEMI TIPICI
Fondazioni di macchine vibranti
vibrazioni da traffico misure geofisiche
Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)
Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)
MODELLI Elastico o viscoelastico lineare
Viscoelastico lineare equivalente o non
lineareElasto-plastico
γl γv
10-4 10-3 10-2 10-1 1 10
Campi di deformazione ndash domini ndash modelli
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO
18
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3
A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale
5
4
1
32
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
∆H
H
εa= ∆HH
19
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e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
5
4
1
32
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
e
σrsquo3
5
e=ecrit
3
Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)
CSL
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante
e
εa
ecrit5
4
1
32
contraente
dilatante
prima contraentepoi dilatante
e
σrsquo3
e=ecrit
contraente
dilatante
CSL
e gt ecrit
e lt ecrit
COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
σrsquo3=cost
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Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
40
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
45
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
48
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
49
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
50
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
51
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
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1G1
D2
γc2γc1
G21
D1
γ
τ
τc2τc1
G2 lt G1
D2 gtD1
Gi (N=1) = Gi (N=2) =hellipGi (N=n) Di (N=1) = Di (N=2) =hellipDi (N=n)
Comportamento dei terreni a medi livelli deformativiA medie deformazioni il comportamento egrave non lineare e dissipativoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano con la deformazione γcma sono indipendenti dal numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ)
A MEDIE DEFORMAZIONI(dominio isteretico stabile)
γ (log)
1
0 γl
D
γv
GG0
13
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ Ν)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)
A DEFORMAZIONIELEVATE
(dominio isteretico instabile)
γc
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
N
N
14
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi
Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli
Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
∆uN
Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N
Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza
(dyn)stat (N=1)
15
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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale
SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098
SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0
γ (log)
GG01
098
05
0 γl1 γl2
1 2
γ (log)
GG0
1
06005
0 γv1 γv2
1 2085
∆uσrsquo0
0001
16
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deformazioneγ []
Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile
Parametri
G0 D0
G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)
τcyc =τcyc (γN)
PROBLEMI TIPICI
Fondazioni di macchine vibranti
vibrazioni da traffico misure geofisiche
Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)
Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)
MODELLI Elastico o viscoelastico lineare
Viscoelastico lineare equivalente o non
lineareElasto-plastico
γl γv
10-4 10-3 10-2 10-1 1 10
Campi di deformazione ndash domini ndash modelli
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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3
A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale
5
4
1
32
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
∆H
H
εa= ∆HH
19
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e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
5
4
1
32
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
e
σrsquo3
5
e=ecrit
3
Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)
CSL
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante
e
εa
ecrit5
4
1
32
contraente
dilatante
prima contraentepoi dilatante
e
σrsquo3
e=ecrit
contraente
dilatante
CSL
e gt ecrit
e lt ecrit
COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
σrsquo3=cost
21
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
22
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
24
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
40
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
41
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
42
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
43
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
44
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
45
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
48
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
49
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
50
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
51
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
54
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativiA deformazioni elevate il comportamento egrave non lineare dissipativo e dipendentedal numero di cicli di caricoModulo di taglio e rapporto di smorzamento variano sia con ladeformazione γc sia con il numero di cicli N
Modulo di taglio G = G(γ Ν)
Rapporto di smorzamentoD = D(γ Ν)
A DEFORMAZIONIELEVATE
(dominio isteretico instabile)
γc
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
N
N
14
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi
Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli
Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
∆uN
Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N
Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza
(dyn)stat (N=1)
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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale
SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098
SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0
γ (log)
GG01
098
05
0 γl1 γl2
1 2
γ (log)
GG0
1
06005
0 γv1 γv2
1 2085
∆uσrsquo0
0001
16
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deformazioneγ []
Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile
Parametri
G0 D0
G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)
τcyc =τcyc (γN)
PROBLEMI TIPICI
Fondazioni di macchine vibranti
vibrazioni da traffico misure geofisiche
Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)
Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)
MODELLI Elastico o viscoelastico lineare
Viscoelastico lineare equivalente o non
lineareElasto-plastico
γl γv
10-4 10-3 10-2 10-1 1 10
Campi di deformazione ndash domini ndash modelli
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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO
18
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3
A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale
5
4
1
32
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
∆H
H
εa= ∆HH
19
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e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
5
4
1
32
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
e
σrsquo3
5
e=ecrit
3
Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)
CSL
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante
e
εa
ecrit5
4
1
32
contraente
dilatante
prima contraentepoi dilatante
e
σrsquo3
e=ecrit
contraente
dilatante
CSL
e gt ecrit
e lt ecrit
COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
σrsquo3=cost
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Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
23
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
24
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
41
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
45
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
48
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
49
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
50
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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Comportamento dei terreni a elevati livelli deformativi
Inoltre a elevati livelli deformativi (γ gt γv) in terreni saturi si osserva unprogressivo incremento delle pressioni interstiziali con il numero di cicli
Sovrapressioniinterstiziali ∆u = ∆u(γ Ν)
GG0
γ (log)
1
0 γl
D
γv
∆uN
Per descrivere il comportamento ciclico dei terreni saturi a elevati livelli deformativi egrave necessario conoscere anche la legge di variazione delle sovrapressioni interstiziali con γc e con N
Alla degradazione della rigidezza corrisponde una degradazione della resistenza
(dyn)stat (N=1)
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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale
SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098
SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0
γ (log)
GG01
098
05
0 γl1 γl2
1 2
γ (log)
GG0
1
06005
0 γv1 γv2
1 2085
∆uσrsquo0
0001
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deformazioneγ []
Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile
Parametri
G0 D0
G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)
τcyc =τcyc (γN)
PROBLEMI TIPICI
Fondazioni di macchine vibranti
vibrazioni da traffico misure geofisiche
Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)
Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)
MODELLI Elastico o viscoelastico lineare
Viscoelastico lineare equivalente o non
lineareElasto-plastico
γl γv
10-4 10-3 10-2 10-1 1 10
Campi di deformazione ndash domini ndash modelli
17
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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO
18
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3
A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale
5
4
1
32
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
∆H
H
εa= ∆HH
19
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e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
5
4
1
32
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
e
σrsquo3
5
e=ecrit
3
Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)
CSL
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante
e
εa
ecrit5
4
1
32
contraente
dilatante
prima contraentepoi dilatante
e
σrsquo3
e=ecrit
contraente
dilatante
CSL
e gt ecrit
e lt ecrit
COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
σrsquo3=cost
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Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
23
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
24
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
25
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
27
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
28
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
29
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
30
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
31
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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Le soglie di deformazioneSono definite in maniera convenzionale
SOGLIA LINEARE (O ELASTICA) γl valore della deformazione in corrispondenza della quale GG0 = 098
SOGLIA VOLUMETRICA γv valore della deformazione in corrispondenza della quale ∆uσrsquo0=1 Risultati sperimentali hanno evidenziato che per γ=γv risulta G=060divide085 G0
γ (log)
GG01
098
05
0 γl1 γl2
1 2
γ (log)
GG0
1
06005
0 γv1 γv2
1 2085
∆uσrsquo0
0001
16
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deformazioneγ []
Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile
Parametri
G0 D0
G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)
τcyc =τcyc (γN)
PROBLEMI TIPICI
Fondazioni di macchine vibranti
vibrazioni da traffico misure geofisiche
Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)
Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)
MODELLI Elastico o viscoelastico lineare
Viscoelastico lineare equivalente o non
lineareElasto-plastico
γl γv
10-4 10-3 10-2 10-1 1 10
Campi di deformazione ndash domini ndash modelli
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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO
18
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3
A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale
5
4
1
32
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
∆H
H
εa= ∆HH
19
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e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
5
4
1
32
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
e
σrsquo3
5
e=ecrit
3
Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)
CSL
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante
e
εa
ecrit5
4
1
32
contraente
dilatante
prima contraentepoi dilatante
e
σrsquo3
e=ecrit
contraente
dilatante
CSL
e gt ecrit
e lt ecrit
COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
σrsquo3=cost
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Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
24
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
34
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
36
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
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deformazioneγ []
Livello deform basso medio altoDominio Elastico lineare Isteretico stabile Isteretico instabile
Parametri
G0 D0
G(γ) D(γ)G(γ N) D(γ N) ∆u(γ N)
τcyc =τcyc (γN)
PROBLEMI TIPICI
Fondazioni di macchine vibranti
vibrazioni da traffico misure geofisiche
Risposta sismica locale (terremoti non distruttivi)
Instabilitagrave e rotture in condizioni sismiche (terremoti forti e distruttivi)
MODELLI Elastico o viscoelastico lineare
Viscoelastico lineare equivalente o non
lineareElasto-plastico
γl γv
10-4 10-3 10-2 10-1 1 10
Campi di deformazione ndash domini ndash modelli
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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3
A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale
5
4
1
32
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
∆H
H
εa= ∆HH
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e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
5
4
1
32
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
e
σrsquo3
5
e=ecrit
3
Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)
CSL
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante
e
εa
ecrit5
4
1
32
contraente
dilatante
prima contraentepoi dilatante
e
σrsquo3
e=ecrit
contraente
dilatante
CSL
e gt ecrit
e lt ecrit
COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
σrsquo3=cost
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Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
40
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
48
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
49
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
50
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
51
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
54
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
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LA ROTTURA DEI TERRENI INCOERENTI SOTTO CARICO DINAMICO E CICLICO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3
A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale
5
4
1
32
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
∆H
H
εa= ∆HH
19
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e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
5
4
1
32
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
e
σrsquo3
5
e=ecrit
3
Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)
CSL
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante
e
εa
ecrit5
4
1
32
contraente
dilatante
prima contraentepoi dilatante
e
σrsquo3
e=ecrit
contraente
dilatante
CSL
e gt ecrit
e lt ecrit
COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
σrsquo3=cost
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Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
23
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
48
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiPer comprendere meglio il comportamento ciclico dei terreni incoerenti inprossimitagrave della rottura egrave utile fare riferimento inizialmente a PROVE TRIASSIALIMONOTONE IN CONDIZIONI DRENATE E NON DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
campioni della stessa sabbia con diverso indice dei vuoti iniziale e stessa tensione efficace di confinamento σrsquo3
A grandi deformazioni tutti i campioni tendono ad uno stesso valore dellrsquoindice dei vuoti (indice dei vuoti critico) indipendentemente dallo stato di addensamento iniziale
5
4
1
32
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
∆H
H
εa= ∆HH
19
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e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
5
4
1
32
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
e
σrsquo3
5
e=ecrit
3
Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)
CSL
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante
e
εa
ecrit5
4
1
32
contraente
dilatante
prima contraentepoi dilatante
e
σrsquo3
e=ecrit
contraente
dilatante
CSL
e gt ecrit
e lt ecrit
COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
σrsquo3=cost
21
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Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
22
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
23
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
24
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
25
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
27
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
28
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
29
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
30
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
31
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
33
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
34
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
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e
εa
ecrit
σrsquo3=cost
5
4
1
32
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
e
σrsquo3
5
e=ecrit
3
Per un dato terreno la linea che rappresenta lrsquoindice dei vuoti critico alvariare della pressione di confinamento iniziale egrave la Linea di Stato CriticoPer Stato Critico si intende quello stato in cui un terreno si deforma senzavariazioni significative dello stato di sforzo e dellrsquoindice dei vuoti (indice deivuoti critico)
CSL
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante
e
εa
ecrit5
4
1
32
contraente
dilatante
prima contraentepoi dilatante
e
σrsquo3
e=ecrit
contraente
dilatante
CSL
e gt ecrit
e lt ecrit
COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
σrsquo3=cost
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Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
40
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
45
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
48
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
49
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
51
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
La Linea dello Stato Critico (CSL) separa due stati al di sopra della CSL (e gt ecrit) il terreno ha comportamento contraente al di sotto della CSL (e lt ecrit) il terreno ha comportamento dilatante
e
εa
ecrit5
4
1
32
contraente
dilatante
prima contraentepoi dilatante
e
σrsquo3
e=ecrit
contraente
dilatante
CSL
e gt ecrit
e lt ecrit
COMPORTAMENTO CONTRAENTE E DILATANTE
CONDIZIONI DRENATECARICO MONOTONO
σrsquo3=cost
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Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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Comportamento contraente e dilatante
CONDIZIONI DRENATE
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
Lrsquoapplicazione di un carico in condizioni non drenate generabull nei terreni saturi a comportamento contraente un incremento delle
pressioni interstizialibull nei terreni saturi a comportamento dilatante una diminuzione delle
pressioni interstiziali
σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
∆V
u0u0+∆u
CONDIZIONI NON DRENATE
22
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Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
24
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
25
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
27
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
28
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
30
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
34
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
35
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
36
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
CONDIZIONI NON DRENATECARICO MONOTONO σrsquo3
σrsquo3
σ1 -σ3
e
σrsquo3
e=ecrit
BrsquoB εa
∆u (+)
In condizioni non drenate si osserva per egtecrit (punto A) aumento di ∆u e riduzione della tensione efficace σrsquo3 per eltecrit (punto B) modesto aumento di ∆u (modesta riduzione di σrsquo3)
seguito da una riduzione di ∆u (aumento di σrsquo3) fino al raggiungimento dellacondizione critica
AArsquo A-Arsquo
B-Brsquo
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
54
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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Comportamento in prove triassiali non drenate (carico monotono) su sabbiesature con differenti valori della densitagrave iniziale (Castro 1969)
εa
∆u(+)
contraente
dilatante
contraente poi dilatante
q
εa
A = liquefactionB = limited liquefactionC = dilation
A
B
C
prsquo
qSSL
A
B
C
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
Linea di Trasformazione di Fase
PTL
24
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
25
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
27
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
28
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
29
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
30
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
34
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni ndash Claudia MadiaiFirenze 24 novembre 2017
Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
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I risultati di prove triassiali su sabbie (Castro 1969) mostrano che crsquoegrave una fortetendenza al cambiamento di volume che dipende dalla stato inizialeIl comportamento contraente o dilatante di una sabbia dipende dallo stato diaddensamento (e ovvero Dr) e dalla tensione media efficace di confinamento (prsquo)
densitagrave relativa (Dr) bassae stato tensionale (prsquo) elevato
Comportamento contraente
densitagrave relativa (Dr) elevatae stato tensionale (prsquo) basso
Comportamento dilatante
densitagrave relativa (Dr) mediae stato tensionale (prsquo) medio
Comportamento contraente e dilatante
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
I casi esaminati in condizioni di carico monotono evidenziano aspetti importantiper la comprensione del comportamento delle sabbie sotto carichi ciclici
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
49
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
50
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
51
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiA) Sabbia sciolta ndash Dr=47
accumulo rapido e irreversibile di sovrappressioni interstiziali aumento improvviso e illimitato
di deformazioni
ROTTURA PER COLLASSO(lsquoliquefazionersquo o lsquofluidificazionersquo)
B) Sabbia densa ndash Dr=75
accumulo lento e in parte reversibile di sovrappressioni interstiziali incremento progressivo delle
deformazioni
ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE
(lsquomobilitagrave ciclicarsquo)
RAPPORTO DI SOVRAPRESSIONE INTERSTIZIALE ruσrsquo0=1 (per il caso A in pochi cicli e definitivo)26
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
36
METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni - Claudia MadiaiFirenze 24 Ottobre 2017
METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni ndash Claudia MadiaiFirenze 24 novembre 2017
Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
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ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
allrsquoaccumulo di sovrappressioniinterstiziali corrisponde unaprogressiva riduzione delletensioni efficaci e quando ilprovino arriva a rottura latensione media efficace egrave nulla(ROTTURA PER LIQUEFAZIONE)
dopo un certo numero di cicli ledeformazioni crescono in modomacroscopico i cicli assumonouna classica forma Primea bananaPrimecon riduzione significativa dellarigidezza
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
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q
prsquo
valori di prsquo molto bassi
(courtesy of G Lanzo mod)
ROTTURA PER COLLASSO (lsquoLIQUEFAZIONErsquo )
le tensioni efficaci si riduconoprogressivamente al crescere di N nel sigolo ciclo diminuiscono aumentano e diminuisconohellip
poichegrave la rigidezza dipende dallatensione efficace essa varieragravemarcatamente durante un ciclo
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
40
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
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ROTTURA PER DEFORMAZIONI ECCESSIVE (lsquoMOBILITAgrave CICLICArsquo)
allrsquoaccumulo di sovrappressioni interstiziali corrisponde una progressiva riduzione delle tensioni efficaci Dopo alcuni cicli i percorsi tensionali sono caratterizzati da recuperi transitori di resistenza
la rottura viene raggiunta per superamento di un valore limite della deformazione (di norma γlim=75 in doppia ampiezza) A rottura la pressione efficace media non egrave nulla
le deformazioni crescono in modo regolare
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
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ppappaaa
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EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
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Comportamento a rottura dei terreni incoerentiLrsquoINNESCO DELLA LIQUEFAZIONE
La sperimentazione di laboratorio evidenzia che la condizione di rottura dei terrenisabbiosi saturi in condizioni non drenate non egrave univocamente definita
La condizione di rottura (indicata con il termine generale ldquoliquefazionerdquo) puograveessere raggiunta sia per annullamento della resistenza a taglio (con conseguentecollasso del terreno) sia per accumulo di deformazioni plastiche oltre un limiteprefissato
10
cong∆=σ
uru
in termini deformativi mediante un valore limite della deformazione
ampiezza) doppia in 75-5 norma (dilimγγ =
La rottura puograve quindi essere definita in termini tensionali mediante il rapporto di sovrapressione interstiziale
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
40
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
45
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
49
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
51
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
54
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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(Cubrinovski 2011)
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
La liquefazione ciclica puograve essere raggiunta con diverse combinazioni disforzo di taglio (normalizzato)-numero di cicli
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
40
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
41
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
42
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
44
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
45
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
48
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
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La laquorotturaraquo (ovvero la condizione di lsquoliquefazionersquo) sotto carico ciclico egrave definitacome la condizione corrispondente a ru=1 cui segue il collasso oppure quellarelativa ad un prefissato livello deformativo (di norma ε=5 ovveroγ=ε(1+ν)=75 in doppia ampiezza)
La resistenza ciclica egrave rappresentata con una curva che mette in relazione losforzo di taglio ciclico normalizzato con la pressione media efficace diconfinamento (CSR=τσrsquo0) e il numero di cicli (NL) che portano a laquorotturaraquo ilterreno
bL
)N(aCRR minussdot== 0στ
Comportamento a rottura dei terreni incoerentiCURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
con a e b costanti del materiale
Espressione tipica della curva di resistenza
NL1
τσrsquo
0
1032
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
33
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
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S
D
a
ppappaaa
WWD
EG
E
sdot=rArr
+sdot=rArr+sdot
=rArr
∆=∆=
π
νεγν
εσεσ
4
)1()1(2
per terreno saturo in condizioni non drenate
ν =05
Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
33
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
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Comportamento dei terreni incoerenti a grandi deformazioni e a rottura ndash PROVA TRIASSIALE CICLICA
0 189583 0 800
-150
-100
-50
0
50
100
150
-2 -15 -1 -05 0 05 1εa ()
q (k
Pa)
-040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-30
-20
-10
00
10
20
30
εa()CSReps ()
εDAgt25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250p(kPa)
q (k
Pa) PT
FL
PTFL -040
-030
-020
-010
000
010
020
030
040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Ncyc
CSR
-10
-08
-06
-04
-02
00
02
04
06
08
10
Ru
CSRRuRu=09
(Flora et al 2012 drsquoOnofrio 2013)
119810119810119810119810119810119810 =120533120533120532120532120782120782prime
=119850119850120784120784 119849119849119849
cong 120782120782120784120784120784120784
34
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
36
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
40
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
42
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
43
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
45
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
48
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
49
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
50
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
51
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
54
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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(De Alba et al 1976)
Comportamento a rottura dei terreni incoerenti
INFLUENZA DELLO STATO DI ADDENSAMENTO SULLA CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
35
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
40
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
42
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
43
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
45
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
48
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
49
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
50
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
51
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
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Ai fini della liquefazione un terremoto di magnitudo M si puograve considerareequivalente a Neq cicli di un carico armonico regolare che induce uno sforzo ditaglio τe pari al 65 dello sforzo massimo indotto dal terremoto (stimabile inprima approssimazione in funzione dellrsquoaccelerazione massima delloscuotimento)
NUMERO DI CICLI EQUIVALENTE
τe = 065 τmax
N119890119890119890119890 = 00011 11987211987247357 (R 2 = 0987) (119878119878119878119878119878119878119878119878 amp 119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1982)N119890119890119890119890 = 00008 11987211987249111 (R 2 = 0999) (119868119868119878119878119868119868119868119868119868119868119868119868 1999)
M Neq
812 26712 15634 10
6 5-6514 2-3 Seed amp Idriss 1982
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
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Basandosi sul concetto di numero di cicli equivalente la CRR puograve essereutilizzata per la verifica a liquefazione ad una data profonditagrave1 si determina la curva di resistenza a liquefazione al variare di Dr2 si identifica la curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito alla profonditagrave
di verifica3 si stima lo sforzo di taglio indotto (normalizzato) alla profonditagrave in esame dal
terremoto di progetto τeσrsquo04 si stima il numero di cicli equivalente alla magnitudo attesa Neq5 Si riporta sul grafico il punto τeσrsquo0-Neq
CURVA DI RESISTENZA ALLA LIQUEFAZIONE
curva di resistenza corrispondente alla Dr in sito
alla profonditagrave di verifica
liquefacibile
non liquefacibile
Neq
120649120649119942119942120783120783120648120648120782120782prime120649120649119942119942120784120784120648120648120782120782prime
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
40
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
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LA LIQUEFAZIONE MANIFESTAZIONI CAUSE SCATENANTI E
CAUSE PREDISPONENTI
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni ndash Claudia MadiaiFirenze 24 novembre 2017
accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
45
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
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In senso ampio con il termine lsquoliquefazionersquo si indicano una serie di fenomeni che si verificano in terreni saturi prevalentemente sabbiosi soggetti ad azioni dinamiche e cicliche in condizioni non drenate
Tali fenomeni sono associati allrsquoincremento di pressioni interstiziali e alla conseguente progressiva riduzione dello stato tensionale efficace (e quindi della rigidezza e della resistenza del terreno)
LA LIQUEFAZIONE
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
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In un terreno incoerente la resistenza egrave di tipo frizionale e puograve essere espressa ad es dalla relazione di Mohr-CoulombNelle condizioni inizialiτf0 = σ0rsquo tgϕrsquo = (σ0 ndash u0 ) tgϕrsquo(σ tensione totale u pressione interstiziale)
Durante lo scuotimento sismico si realizzano condizioni non drenate rArr la pressione interstiziale varia di ∆u facendo variare la tensione media di contatto σrsquo e quindi la resistenza al taglio τfdyn = σrsquo tgϕrsquo = (σ0rsquo - ∆u) tgϕrsquo Al crescere di ∆u si ha una progressiva perdita dei contatti intergranulari che puograve portare σrsquocong0
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
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accumulo di pressioni interstiziali rArr riduzione delle tensioni efficacitan)(tan
0ϕσϕστ
∆+minus== uuf
argilla
sabbia
argilla
bedrock
τσrsquov
σrsquohτ
at
u = u0+∆u
σrsquov
u0
(da Lanzo)
EFFETTI DELLA LIQUEFAZIONE
)u1( n
ff0
0σ∆ττ minussdot=
resistenza al taglio inizialesforzo efficace iniziale
(normale al piano di rottura)
rArr perdita di resistenza
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
48
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
49
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
50
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
51
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
54
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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Ribaltamento e spostamento laterale di opere di sostegno
Movimenti franosi
Ribaltamento di edifici
EFFETTI DELLA PERDITA DI RESISTENZA IN SITO
42
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
43
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
44
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
45
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
48
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
49
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durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
50
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
51
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
54
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
86
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Analogamente a quanto osservato in laboratorio la liquefazione in sito puogravesvilupparsi con diversi meccanismi
ldquoflow liquefactionrdquo (ldquofluidificazionerdquo ldquoliquefazionerdquo) ROTTURA PERCOLLASSO (associata alla perdita di resistenza necessaria per lrsquoequilibrio)
ldquocyclic mobilityrdquo (ldquomobilitagrave ciclicardquo) raggiungimento della condizione diROTTURA PER ACCUMULO DI DEFORMAZIONI PLASTICHE
ldquolevel-ground liquefactionrdquo (ldquoliquefazione a piano campagna orizzontalerdquo oldquol iquefazione ciclicardquo) caso particolare di mobilitagrave ciclica Si verifica inassenza di tensioni tangenziali necessarie per lrsquoequilibrio Fanno riferimento aqueste condizioni i metodi di analisi del rischio di liquefazione
FLUIDIFICAZIONE MOBILITAgrave CICLICA E LIQUEFAZIONE CICLICA
43
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
44
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
45
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
48
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
49
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
50
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
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Mobilitagrave ciclicaManifestazioni deformazioni permanenti limitate spostamenti laterali
cedimenti assoluti e differenziali smottamentiDanni da modesti a gravi a strutture infrastrutture e sotto-servizi
FENOMENI E SEVERITAgrave DEL DANNO
FluidificazioneManifestazioni grandi deformazioni permanenti collasso di fondazioni e
opere di sostegno franeDanni gravissimi
Liquefazione ciclica (level-ground liquefaction)
Manifestazioni crateri e vulcanelli di sabbia fratture ondulazioni e avvallamenti del pc
Danni assenti o modesti (vulnerabilitagrave ed esposizione nulle o trascurabili)
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
45
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
48
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
49
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
51
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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Turnagain Heights landslide (Anchorage 1964)
Mobilitagrave ciclica (M)Liquefazione ciclica (L)
Motagua River (Guatemala 1976)
(Niigata Japan 1964)
Fluidificazione (F)
45
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
48
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
49
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
50
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
51
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
54
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
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Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
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FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
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LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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Liquefazione ciclica ndash sabbia omogenea
prima
crateri
cedimenti
Getti drsquoacqua e sabbia (dissipazione delle pressioni interstiziali in eccesso)
durante dopo
particelle di sabbia sciolta a contatto tra loro
(σprimegt 0)
perdita dei contatti per accumulo di ∆u fino a
che σprime asymp 0
dissipazione di ∆u recupero dei contatti addensamento
delle particelle46
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
49
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
50
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
51
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
54
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
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Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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prima durante dopo
Getti drsquoacqua e sabbiaVulcanelli di sabbia
Terreno sabbioso
Terreno non liquefacibile
cedimenti
Liquefazione ciclica -deposito sabbioso con copertura non liquefacibile
La ldquoliquefazione ciclicardquo egrave un caso particolare di mobilitagrave ciclica Ersquo importante soprattutto percheacute i metodi di previsione della
liquefazione fanno riferimento a questo caso47
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
50
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
51
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
54
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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La liquefazione egrave influenzata da
comportamento contraente o dilatante funzione dello stato di addensamento (Dr e) e della pressione media efficace di confinamento (σprime0)
distribuzione granulometrica (D50 Uc CF) storia tensionale (OCR) grado di saturazione (Sr) condizioni di drenaggio (impedito o semimpedito ad es dalla
presenza di stati drenanti intercalati ai terreni liquefacibili) sforzi di taglio statici preesistenti e resistenza residua (τD τr)
CARATTERISTICHE DEL TERRENO
CARATTERISTICHE DELLA AZIONE SISMICA ampiezza dello sforzo di taglio ed inversione degli sforzi
FATTORI PREDISPONENTI E SCATENANTI
48
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
49
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
50
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
54
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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Condizioni sismiche (fattori scatenanti influiscono su ∆u) Magnitudo gt 55
PGA gt 015 gdurata gt 15-20 sec
Condizioni del terreno (fattori predisponenti influiscono sulla resistenzaal taglio iniziale) Profonditagrave della falda lt 5 m
Densitagrave relativa Dr lt 60 Diametro medio 002 mm lt D50lt 2 mmFrazione di fini (φ lt 0005 mm) lt 15
La probabilitagrave che la liquefazione avvenga (nei primi 15-20m di profonditagrave da pc) egrave molto alta quando sono verificate simultaneamente le seguenti condizioni
49
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
50
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
51
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
54
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
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75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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CASO M Dr()
amax(g)
durata (s)
Periodo(s)
Lique-fazione
Niigata(1964)
75 53 016 40 080 Sigrave
Niigata(1964)
75 64 016 40 080 Sigrave
Alaska(1964)
92 50 015 180 1 Sigrave
Alaska(1964)
92 99 012 180 1 No
Tokachioki(1968)
78 80 021 45 1 No
Tokachioki(1968)
78 55 018 45 1 Sigrave
SFernando(1971)
66 30 040 15 040 Sigrave
LA LIQUEFAZIONE
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
54
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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Caso M σrsquo0(kPa) NSPT Nrsquo Lique-
fazioneNiigata(1964) 75 64 12 14 No
Niigata(1964) 75 64 6 69 Sigrave
Alaska(1964) 92 58 5 55 Sigrave
Alaska(1964) 92 76 5 55 Sigrave
Tokachioki(1968) 78 41 14 18 No
Tokachioki(1968) 78 41 6 78 Sigrave
Tokachioki(1968)
78 26 4 58 Sigrave
σrsquo0 tensione efficace media di confinamentoNrsquo valore di NSPT corretto e normalizzato
LA LIQUEFAZIONE
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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La liquefazione si puograve verificare nei seguenti siti in prossimitagrave di mari fiumi laghi baie oceani spiagge depositi
fluviali estuari pianure aree portuali depositi sabbiosi olocenici e pleistocenici sciolti con falda molto
superficiale (H lt 5m)
prima durante
hellipe tende a riprodursi ove si egrave giagrave verificata in passato
52
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
54
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
86
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500 m
10
0
20livello di falda (23072012)
S10
(Martelli 2012)
Paleoalveo interessato da fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana (Terremoto Emilia Romagna 2012)
53
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1599
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Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
54
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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1599
2012
Ricorrenza dei fenomeni di liquefazione nella pianura padana-emiliana
54
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Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
86
METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni - Claudia MadiaiFirenze 24 Ottobre 2017
SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Le manifestazioni associate alla liquefazione sono numerose e molto varie crateri vulcanelli fuoriuscite di acqua e sabbia (L) grandi oscillazioni e rotture del terreno (LM) abbassamenti e sollevamenti del terreno (LM) movimenti orizzontali del terreno (lateral spreading) (M) movimento di masse fluide collasso in pendii naturali e
artificiali (F) perdita di capacitagrave portante delle fondazioni (MF) galleggiamento di opere sotterranee (MF) collasso di opere di sostegno e banchine portuali (MF)
MANIFESTAZIONI DELLA LIQUEFAZIONE
55
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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Crateri e vulcanelli
Loma Prieta California 1989 - M=71
56
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Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
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75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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85
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grazie per lrsquoattenzione
86
METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni - Claudia MadiaiFirenze 24 Ottobre 2017
SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Rotture del terrenofuoriuscite di acqua e sabbia
57
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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Fuoriuscite di acqua e sabbia formazione di laghi
58
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
59
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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85
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni - Claudia MadiaiFirenze 24 Ottobre 2017
SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni - Claudia MadiaiFirenze 24 Ottobre 2017
SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Loma Prieta California 1989 - M=71
60
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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Abbassamenti e sollevamenti del terreno
Emilia Romagna 2012- M=5961
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni - Claudia MadiaiFirenze 24 Ottobre 2017
SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
86
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Abbassamenti del terreno
Niigata Japan 2004 - M=6862
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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85
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Lateral spreading
Loma Prieta California 1989 - M=7163
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
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75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
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FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
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MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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grazie per lrsquoattenzione
86
METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni - Claudia MadiaiFirenze 24 Ottobre 2017
SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Kocaeli Turkey 1999 - M=76Tipico profilo dei terreniad Adapazari Turkey
Movimento di grandi masse dovuto a lateral spreading
64
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
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Movimento di masse fluide e collasso di
pendii naturali
Anchorage Alaska 1964 -M=92
65
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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grazie per lrsquoattenzione
86
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
S Fernando California 1971- M=6666
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
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75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
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Emilia Romagna 2012 - M=59
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MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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METODI PER LA STIMA DEL POTENZIALE DI LIQUEFAZIONE DEI TERRENIParte I Principi teorici della dinamica dei terreni - Claudia MadiaiFirenze 24 Ottobre 2017
SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
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grazie per lrsquoattenzione
86
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Movimento di masse fluide e collasso di pendii artificiali
Meccanismo relativo al crollo della diga di S Fernando
67
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
70
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
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Spostamento orizzontale e collasso di una banchina portuale
Kobe Japan 1995 - M=6968
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Galleggiamento di manufatti
Kobe Japan 1995 - M=69
S Francisco California 1906 - M=79
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
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bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
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JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Kobe Japan 1995 - M=69
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Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
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(Zeghal et al 1986)
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
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70
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni
Kocaeli Turkey 1999 - M=76
71
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
Perdita di capacitagrave portante delle fondazioni superficiali
72
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Strutture fuori terra sprofondamento
Manufatti interrati galleggiamento73
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
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Kocaeli Turkey 1999 - M=76
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Niigata 1964 - Kawagishicho Apartments
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Strutture fuori terra sprofondamento
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altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
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(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
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Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
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SEP 2010
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FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
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Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
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Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
altafrequenza
bassafrequenza
la rigidezza si riduce moto di lungo periodo
(bassa frequenza) minori accelerazioni maggiori spostamenti
(Kramer 2011)
Si egrave osservato che durante loscuotimento sismico allrsquointerno didepositi liquefacibili
Niigata 1964
74
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SEMINARIO ndash rsquoTERREMOTO dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischiorsquorsquoLa liquefazione dei terreni ndash Johann FacciorussoBologna 12 novembre 2018
Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
75
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
76
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
77
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
79
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
81
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
82
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
83
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
e per finirehellip84
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per finirehellip
85
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grazie per lrsquoattenzione
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Il terremoto di Elmore Ranch (62) non haprodotto liquefazione
Il terremoto di Superstition Hill (68) haprodotto liquefazione
Liquefazione al Wildlife array (CA USA)
(courtesy of G Lanzo)
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Wildlife ArraySuperstition Hills EQ(Mw=66)
(Zeghal et al 1986)
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SEP 2010
JUN 2011
FEB 2011
Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Mappa di liquefazione a seguito degli eventi sismici
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Porritt Park Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
MANIFESTAZIONI DI LIQUEFAZIONE OSSERVATE IN EMILIA
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Christchurch Nuova Zelanda 2010-2011
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Christchurch 2011
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Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
78
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Christchurch 2010-2011LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
2011061380
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
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Movimenti orizzontali (lateral spreading)
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Nel terremoto del 2011 lrsquoarea soggetta a liquefazione egrave quasi raddoppiata
LIQUEFAZIONE RICORRENTE
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Christchurch 2011
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Emilia Romagna 2012 - M=59
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Crateri e vulcanelli
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Christchurch 2011
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Emilia Romagna 2012 - M=59
Anche il terremoto dellrsquoEmilia Romagna nel suo piccolohellip
Crateri e vulcanelli
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Fuoriuscite di acqua e sabbia
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Crepe rotture nel terreno e dislocazioni
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