sismica_faccioli

Politecnico di MilanoDipartimento di Ingegneria Strutturale

Norme Tecniche per il Progetto Sismico di Opere di Fondazione e di Sostegno dei Terreni

[email protected]://www.stru.polimi.it/home/faccioli/personale.html

EZIO FACCIOLIOrdinario di Costruzioni in Zona Sismica

con la collaborazione di Carlo Lai, SGI

Ottobre-Novembre 2003

Incontri di studio sulla normativa sismica (ord. PCM 3274)


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Sommario

• Oggetto e caratteristiche salienti delle norme tecniche

• Requisiti del sito di costruzione: stabilità dei pendii

• Requisiti terreno di fondazione: suscettibilità liquefazione

• Opere di sostegno dei terreni

• Fondazioni superficiali e profonde

• Richiami di meccanica dei terreni

• Definizione azione sismica di progetto


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Oggetto delle norme tecniche

Le presenti norme disciplinano:

• i requisiti a cui devono soddisfare i siti di costruzione e iterreni di fondazione in presenza delle azioni sismiche

• la progettazione di opere di fondazione e di sostegno deiterreni soggette ad azioni sismiche

“….scopo delle norme è assicurare che in caso di terremoto sia protetta la vita umana, siano limitati i danni e rimangano funzionanti le strutture essenziali agli interventi di protezione civile…..”


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Caratteristiche salienti delle norme tecniche

• Contemplano diversi approcci alle verifiche di sicurezza e resistenza, in funzione della sismicità e del tipo di terreno (p. es. stabilità dei versanti)

• Sono coerenti con l’Eurocodice 8 - Parte 5 (vers. finale, Ottobre 2002) di cui rappresentano una vers. semplificata

• Riconoscono ai fini della progettazione il ruolo delle deformazioni permanenti del terreno causate dal terremoto (p. es. opere di sostegno)


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Richiami di Meccanica dei

Terreni


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Terreni non lapidei o terreni sciolti

“ Sistemi particellari multi-fase costituiti da particelle solide (φ varia da meno di µm a qualche cm) che formano lo scheletro solido che interagiscono con una o più fasi fluide ”

particella solida

fluido interstiziale

forze intergranulari


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In relazione all’entità dei fenomeni di erosione e disgregazionemeccanica e chimico-fisica delle rocce nonché alla loro

composizione mineralogica:

• Terreni a grana grossa (sabbie e ghiaie)

• Terreni a grana fine (limi e argille)

superficie

specifica

↓A/m (m2/g)

ss 10-4 m2/g∝

ss 10 m2/g

Classificazione dei terreni sciolti

Terreni saturi (sistemi bi-fase) e parzialmente saturi

∝


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Principio delle tensioni efficaci in terreni saturi

(Terzaghi, 1923)

ss


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Resistenza al taglio nei terreni sciolti

aτff = tensione di taglio agente sul piano di rottura

σff = tensione normale agente sul piano di rottura


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Resistenza al taglio nei terreni sciolti

z

a


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Definizione Azione Sismica di

Progetto


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Zonazione sismica nazionale

ZONA ag

1 0.35g

2 0.25g

3 0.15g

4 0.05g

(dal Servizio Sismico Nazionale http://www.serviziosismico.it)

zone


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Zonazione sismica nazionale

(dal

Ser

vizi

o Si

smic

o Na

zion

ale

http

://w

ww

.ser

vizi

osis

mic

o.it)


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Calcolo dell’ Azione Sismica

di Progetto


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A - Formazioni litoidi o suoli omogenei molto rigidi caratterizzati da valoriVS,30 superiori a 800 m/s, comprendenti eventuali strati di alterazionesuperficiale di spessore massimo pari a 5 m.

B - Depositi di sabbie o ghiaie molto addensate o argille molto consistenticon spessori di diverse decine di metri, caratterizzati da un gradualemiglioramento delle proprietà meccaniche con la profondità e da VS,30

compresi tra 360 m/s e 800 m/s (ovvero NSPT > 50, o cu > 250 kPa)

C - Depositi di sabbie e ghiaie mediamente addensate, o di argille dimedia consistenza, con spessori variabili da diverse decine fino a centinaia di metri, caratterizzati da valori VS,30 compresi tra 180 m/se 360 m/s (ovvero 15<NSPT<50, oppure 70<cu<250 kPa)

Categorie del suolo di fondazione


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D - Depositi di terreni granulari da sciolti a poco addensati oppure coesivida poco a mediamente consistenti, caratterizzati da valori VS,30 < 180m/s (NSPT < 15, oppure cu < 70 kPa).

E - Profili di terreno costituiti da strati superficiali alluvionali, con valori diVS,30 simili a quelli dei tipi C o D e spessore compreso tra 5 e 20 m,giacenti su di un substrato di materiale più rigido con VS,30 > 800 m/s.

S1- Depositi costituiti da, o che includono, uno strato spesso almeno 10mdi argille/limi di bassa consistenza, con elevato indice di plasticità (PI>40) e contenuto H2O, caratterizzati da VS,30<100 m/s (10<cu<20 kPa)

S2- Depositi di terreni soggetti a liquefazione, di argille sensitive, o qualsiasi altra categoria di terreno non classificabile nei tipi precedenti


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∑=

=

N,1i S

i30,S

iVh

30V VS media

∑= N,1i

ithi ti

Casi particolari:

• categorie S1,S2 studi speciali

amplificazione stratigrafica


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Tecniche di misura diretta del profilo di VS

Cross-Hole(ASTM D4428)

Down/Up Hole Cono Sismico

Suspension Logging Tomografia Sismica

Prove sismiche in foro:


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Cross-Hole Standard:

(ASTM D-4428M)

Scopo:

Misura profili VS, VP


Prova sismica cross-hole:

Configurazione tipica della prova CH


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Prova sismica cross-hole: inversione polarità delle onde S


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sitoCH

Tecniche di misura diretta del profilo di VSEsempio: Campo dei Miracoli, Pisa


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0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Vp

Vs

velocity of propagation (m/s)

dept

h (m

)

soilprofile

Esempio: Campo dei Miracoli, Pisa

sitoCH


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Prova sismica down-hole:

Configurazione tipica della prova DH


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Configurazione tipica della prova S-CPTU

Prova sismica S-CPTU:


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ReceiversSource

RecordingDevice

VerticalParticleMotion

• Raccolta ed elaborazione segnali

• Inversione curve sperimentaliVR(ω) & αR(ω) per VS(y) e DS(y)

Caratteristiche generali:

Analisi Spettrale di Onde Superficiali (non-invasiva)

• Costruzione curve sperimentali di dispersione e attenuazione

• Generazione onde di superficie

Tecniche di misura diretta del profilo VS

Prova sismica SASW:


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Sorgente sismica: grave in caduta libera Allineamento di geofoni

Geofono

Tecniche di misura diretta del profilo VSProva sismica SASW: strumentazione


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Metodi di stima empirica del profilo di VS

Correlazione di Ohta & Goto (1978)

( ) ( ) )s/m(ffzNCV GA20.017.0

60S ⋅⋅⋅⋅=

C = costante = 68.5

N60 = numero colpi SPT per ER=60%

z = profondità in metri

fA = fattore di età del deposito

fG = fattore del tipo di terreno

(N60=NSPT·ER/60) SUOLO ARGILLA SABBIA GHIAIA

fG 1.00 1.10 1.45

ETÀ OLOCENE PLEISTOCENE

fA 1.00 1.30


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Metodi di stima empirica del profilo VS

Validazione della correlazione

di Ohta e Goto con prova CH,

sito di Viadana


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Metodi di stima empirica del profilo di VS

Validazione della correlazione di Ohta

e Goto con prove CH da siti diversi

LOCATION AGE SYMBOL

VIADANA

PO RIVER SANDHOLOCENE

SALUGGIADORA RIVER

SAND AND GRAVELHOLOCENE

GIOIA TAUROSAND AND GRAVEL

HOLOCENE?

PLEISTOCENE

TRINO VERCELLESEPO RIVER

SAND AND GRAVELPLEISTOCENE

INCR

EASI

NG A

GE


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Metodi di stima empirica del profilo VS

Correlazione di Ohta & Goto (1978)

Osservazioni generali:

Dalle esperienze sin qui maturate è difficile dire se il rapportoVS(SPT) / VS(CHT) decresce con:

• età del deposito

• contenuto di ghiaia

• contenuto di fine > 30 %

• valore assoluto di VS(CHT) misurato

L’incremento del contenuto di fine (FC < 30 %) causa unadiminuzione del rapporto VS(SPT) / VS(CHT)


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Profili di velocità delle onde trasversali VS

Inviluppi dei profili di VS misurati

con tecnica CH nei siti di stazioni

accelerografiche in Italia

A - siti rocciosi

B - siti alluvionali superficiali

C - siti alluvionali profondi

(da ENEL, 1992)A B C


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Calcolo dell’azione sismica di progetto

• Spettro di risposta elastico - componente orizzontale


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• Spettro di risposta elastico - componente verticale


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Fattore di amplificazione topografica (ST)

ST

> 15°

15° to 30°

> 30°

α

α

Morfologia Pendenzamedia α

Pendii scoscesiisolati

< 1.2

Larghezza in crestamolto inferiore allalarghezza alla base

< 1.2

< 1.4


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Esempio di stima del fattore di amplificazione topografica

Ligura occidentale: modello DEM (risoluzione 40 m)


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Ligura occidentale: modello DEM delle pendenze e ubicazione dei centri storici


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Ligura occidentale: zoom del modello DEM delle pendenze

con l’ubicazione di alcuni centri storici


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Requisiti del Sito di Costruzione

e del Terreno di Fondazione


Il sito di costruzione e i terreni di fondazione in esso presenti devono essere esenti da:

• pericoli di instabilità dei pendii

• liquefazione

• rottura di faglia in superficie


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Rottura di faglia in superficie

(by courtesy of Dr. Berrill)

• Faglia sismica di Bay of Plenty, Nuova Zelanda


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Inadeguatezza del sito di costruzione per instabilità di pendio

Frana di Nigawa, Kobe 1995


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Instabilità dei pendii

Frana di Calitri, 1980


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• Quando l’analisi pseudo-statica non e’ applicabile si raccomanda la verifica in campo dinamico

• Si ammette la verifica con metodi semplificati di tipo pseudo-statico a meno di:- marcate irregolarità topografiche e/o stratigrafiche- pressioni interstiziali elevate o rilevanti perdite di rigidezza sotto carico ciclico

• Per pendii con inclinazioni > 15° e dislivello > 30 m, si raccomanda di incrementare l’azione sismica con un coefficiente di amplificazione topografica ST

VERIFICHE DI STABILITA’ DEI PENDII

• Per la resistenza a taglio si raccomanda l’uso di coesione non drenata per terreni coesivi e di resistenza a taglio ciclica non drenata per terreni non coesivi

• Per S ag > 0.15 g l’incremento di pressione interstiziale e la perdita di rigidezza sotto carico ciclico vanno considerate anche nelle verifiche pseudo-statiche (utilizzando prove sperimentali o correlazioni empiriche)


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v ia d o t to su

fo n d a zio n i p ro fo n d e

su p e r fic ie d i

sc iv o la m e n to

c rit ic a

Stabilità dei pendii

su p e r fic ie d i

sc iv o la m e n to

c rit ic a

v ia d o tto su

fo n d a zio n i d ire t t e

FHFV

FH

FV


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Stabilità dei pendii

rile va totrinc e a

sup e rfic ie d isc ivo la m e ntoc ritic a

FH

FV

upe rfic ie d isc ivo la m e ntoc ritic a

ope ra d i so ste gno

sFH

FV


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Terreni suscettibili alla liquefazioneNiigata, Giappone, 1964


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Terreni suscettibili alla liquefazione

Adapazari, Turchia 1999


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• Si richiedono quando la falda freatica è superficiale ed il terreno comprende strati estesi o lenti spesse di sabbie sciolte sotto falda

• La verifica può essere omessa se:- il terreno sabbioso saturo è a profondità > 15 m- Sag < 0.15 g e il terreno soddisfa almeno una delle condizioni seguenti:

- contenuto in argilla > 20% con indice di plasticità > 10- contenuto di limo > 35% con N1(60)* > 20- frazione fine trascurabile e N1(60)* > 25

*(N1(60): NSPT normalizzato)

• Si accettano metodi di verifica propri dell’ingegneria geotecnica, con un fattore si sicurezza minimo rispetto alla liquefazione pari a 1.25

• Per terreni risultati suscettibili, con conseguenze su capacità portante e stabilità di fondazioni, occorre procedere con interventi di consolidamento e/o trasferendo il carico a strati più profondi


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terremotodi

progetto t

a

fondazionidirette

fondazionisu pali

u0

livellodi falda

materialisabbiosisciolti,saturi

substratostabile


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RESISTENZE DELLE SABBIEIN ASSENZA DI TERREMOTO

RESISTENZE DELLE SABBIEIN PRESENZA DI TERREMOTO

Resistenza al taglio delle sabbie

in assenza di terremoto

Resistenza al taglio delle sabbie

in presenza di terremoto


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terremotodi

progetto t

a

fondazionidirette

fondazionisu pali

u0

livellodi falda

argille

substratostabile

argille

sabbie sciolte, sature


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Misura sperimentale sovrapressioni interstiziali

Metodi empirici per stimare suscettibilità alla liquefazione


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SPT

CPTU


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Fondazioni Superficiali:

Calcolo Capacità Portante in Condizioni Statiche


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• Meccanismi di rottura (Vesic, 1975)

f

rottura a taglio generale

rottura a taglio locale

rottura per punzonamento

fragile, rammollente

intermedia

duttile, incrudente

Capacità portante fondazioni superficiali


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+ζζζζζζ⋅⋅+

+ζζζζζζ⋅⋅+

+ζζζζζζ⋅⋅⋅γ= γγγγγγγ

qiqgqbqdqsqrq

cicgcbcdcscrc

igbdsr21

lim

N'q

N'c

NB'q

• Terreni a grana grossa (sabbie e ghiaie)

dove etc,sr γγ ζζ sono i fattori per:

• meccanismo di rottura• geometria fondazione• profondità fondazione • inclinazione del carico

• inclinazione fondazione• inclinazione piano campagna

Capacità portante fondazioni superficiali contributo forze d’attrito

contributo forze di coesione

contributo del sovraccarico


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Capacità portante fondazioni superficiali

Verifiche SLU in accordo alla Normativa Italiana

coefficiente sicurezza globale

FS < 3 possibile in funzione di:

Eurocodice

FS applicato a pressione netta

0.3qq

qqFS

amm

lim ≥−

−=

• importanza opera

• caratterizzazionegeotecnica

coefficienti di sicurezza parziali


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Fondazioni Superficiali:

Calcolo Capacità Portante in Condizioni Sismiche


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Per contrastare spostamenti relativi orizzontali del suolo si richiedono collegamenti orizzontali tra fondazioni(tranne che per suoli tipo A, e suoli tipo B in zone 3 e 4 ) in grado di assorbire forze assiali variabili in funzione del tipo di suolo.

Si adotterà un solo tipo di fondazione per una data struttura, a meno che esistano unità dinamicamente indipendenti (es: pali e fondazioni superficiali insieme vanno evitati tranne che per ponti o condotte). Eventuali diminuzioni dell’accelerazione di picco con la profondità devono essere < 65% del valore di progetto di superficie e comunque corredate da appositi studi.

SOLLECITAZIONI DI PROGETTOPer strutture dissipative (alta duttilità) non si richiede che le sollecitazioni superino le resistenze degli elementi soprastanti, per strutture non- dissipative (bassa duttilità) le sollecitazioni saranno quelle ottenute dall’analisi elastica.

VERIFICHE PER FONDAZIONI DIRETTE (SUPERFICIALI O INTERRATE)Si richiede la verifica di stabilità rispetto al collasso per slittamento

Vsd < Nsd tand + Epd

forza orizzontale resistenza laterale

resistenza per attrito

e rispetto al collasso per rottura generale (p. es. secondo le formule EC8, Parte 5, App. F).


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Fondazioni Profonde

Azioni Inerziali e Cinematiche


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Verifiche per pali e pozzi di fondazione

Devono essere progettati per resistere a due tipi di sollecitazione:

Forze inerziali trasmesse dalla sovrastruttura

Le azioni cinematiche devono essere calcolate solo se si verificano simultaneamente le due seguenti condizioni:

- profilo stratigrafico di suolo classe C o peggiore, con forti contrasti di rigidezza in strati consecutivi- zona a media o alta sismicità (1 o 2)

Forze cinematiche (momenti flettenti) generate dalle deformazioni del terreno indotte dalle onde sismiche

I pali devono essere progettati in modo da rimanere in campo elastico, salvo casi speciali in cui si ammette la formazione controllata di cerniere plastiche per ottenere comportamento duttile.


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Fondazioni Profonde:

Azioni Cinematiche


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Azioni cinematiche fondazioni profonde

Azioni cinematiche indotte dal sisma sui pali in terreni “stabili”


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Azioni cinematiche indotte dal sisma sui pali in terreni “instabili”


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i

Cedimenti indotti dal sisma sui pali in terreni “stabili”


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Opere di Sostegno dei

Terreni


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• Eventuali spostamenti permanenti (dovuti a deformazioni irreversibili del terreno) possono essere accettati, se compatibili con requisiti strutturali

• Il materiale di riporto dietro la struttura deve avere granulometria controllata

Le opere di sostegno devono essere progettate in modo da essere efficienti sia durante che dopo ilterremoto, senza danni strutturali significativi.

• I sistemi di drenaggio dietro la struttura devono poter assorbire spostamenti transitori e permanenti

• Qualunque metodo consolidato della dinamica strutturale e dei terreni è accettato per verificare la sicurezza, purchè tenga conto di:

- comportamento non lineare dei terreni- effetti inerziali- effetti idrodinamici in presenza d’acqua- compatibilità delle deformazioni di terreno, opera ed eventuali tiranti.

Opere di sostegno dei terreni


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• L’azione sismica è rappresentata da un insieme di forze statiche orizzontali e verticali date dal prodottodelle forze di gravità per un coefficiente sismico

ANALISI PSEUDOANALISI PSEUDO--STATICASTATICA

• La componente verticale va verso l’alto o il basso secondo l’effetto più sfavorevole e comunque può esseretrascurata tranne che per muri a gravità

• I coefficienti sismici orizzontale (kh) e verticale (kv) possono essere ridotti con un fattore r :

kh = S ag / r kv = 0.5 kh

r = 2 : per opere di sostegno che ammettonospostamenti (es: muri a gravità o suff. flessibili)

r = 1 : con terreni non coesivi saturi

• Per opere < 10 m i coefficienti sismici si possono assumere costanti lungo l’altezza del muro

• Per opere > 10 m si consiglia un’analisi di amplificazione verticale 1D in campo libero, così da poter megliodefinire il valore medio di Sag lungo l’altezza della struttura.

àà AZIONE SISMICAAZIONE SISMICA


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• Forza Edà risultante spinte statiche e dinamiche del terreno, applicata a metà altezza del muro (a meno distudi specifici)

ANALISI PSEUDOANALISI PSEUDO--STATICASTATICA

• In presenza d’acqua si deve distinguere tra condizioni di permeabilità dinamica e impermeabilità del terreno(condizioni essenzialmente non drenate)

• Spinta Ed:

Ed = 1/2 γ* (1±kv) K H2 + Ews

H : altezza del muroEws : spinta idrostaticaγ* : peso specifico del terrenoK : coefficiente di spinta del terreno

(statico+dinamico)

• Il coefficiente di spinta K può essere calcolato con le formule di Mononobe e Okabe

àà SPINTE DI CALCOLO DEL TERRENO E DELL’ACQUASPINTE DI CALCOLO DEL TERRENO E DELL’ACQUA


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Spinta delle terre in presenza di sisma

• Metodi pseudo-statici Mononobe-Okabe (regime KA, KP)

)k1(HKE v2 ±γ*=d + E ws

H = altezza muro

Ews = spinta idrostatica

K = coefficiente di spinta (attiva/passiva) del terreno

γ* = peso specifico del terreno

kv = coefficiente sismico verticale = 0.5·kh

12


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Spinta delle terre in presenza di sisma

• Metodi pseudo-statici teoria di Wood (regime K0)

p2

hd FHkP ⋅⋅γ⋅=∆ componente dinamica

Ipotesi:

• opera di sostegno con pareti verticali

• superficie a tergo del muro orizzontale

• assenza acqua di falda

• struttura di sostegno rigida

fattore di spinta: FP(L/H, n)

x

x


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Spinta idrodinamica in presenza di sisma

Possibili situazioni:

• mezzo dinamicamente impermeabile sistema chiuso

• mezzo dinamicamente permeabile sistema aperto

• mezzo monofase

falda sotto piano di posa opera di sostegno


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• Terreno di fondazione à devono essere soddisfatte le verifiche di stabilità dei pendii e le verifiche dicollasso per slittamento e per rottura generale per fondazioni dirette. Per le azioni di calcolo si considerano: azioni gravitazionali permanenti, spinta orizzontale Ed , azioni sismiche

VERIFICHE DI RESISTENZA E STABILITA’VERIFICHE DI RESISTENZA E STABILITA’

• Sistema di ancoraggio à deve assicurare l’equilibrio del volume critico di terreno in presenza dell’azionesismica con una sufficiente capacità di adattamento alle deformazioni sismiche indotte nel terreno. Duranteil terremoto, il terreno deve mantenere integra la propria resistenza e mantenersi immune da liquefazione. La distanza della piastra di ancoraggio dal muro deve essere pari a:

Le = Ls (1 + 1.5 S ag) Ls : distanza per carichi statici

• Resistenza della strutturaà sotto tutti i carichi e l’azione sismica, deve essere garantito l’equilibrio senzasuperare la resistenza di calcolo di tutti gli elementi strutturali:

Rd > Sd

Rd : resistenza di calcolo dell’elemento, valutata come per le condizioni non sismicheSd : sollecitazione di calcolo valutata con i procedimenti descritti

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