Risposta sismica locale: il calcolo degli indicatori di rischio sismico

L'articolo in breve

  • Pericolosità sismica: NTC e Ordinanza 55 per la Ricostruzione
  • Analisi della Risposta Sismica Locale e Indicatori di Rischio Sismico ζE
  • Approccio semplificato (NTC) e approccio rigoroso (RSL): confronto fra spettri di progetto
  • Variabilità dell'accelerazione massima al suolo amax con i periodi di ritorno TR 

Pericolosità sismica: NTC e Ordinanza n.55 per la ricostruzione 

Secondo il §3.2 delle NTC 2018, le azioni sismiche di progetto si definiscono a partire dalla “pericolosità sismica di base” del sito di costruzione e sono funzione delle caratteristiche morfologiche e stratigrafiche che determinano la “risposta sismica locale”. 

La Pericolosità Sismica di una data località è nota se, per prefissati valori del periodo di ritorno TR, sono note le ordinate dello spettro di risposta elastico in accelerazione Se(T) in condizioni di campo libero su sito di riferimento rigido e superfice topografica orizzontale.

Pertanto, la pericolosità sismica è definita dai seguenti parametri

ag

massima accelerazione attesa sul sito

Fo

valore massimo del fattore di amplificazione dello spettro di accelerazione orizzontale

TC*

periodo di inizio del tratto a velocità costante dello spettro in accelerazione orizzontale

La normativa fornisce i valori di ag, Fo e TC* su tutto il territorio nazionale per 10751 punti di un reticolo di riferimento e per le isole. I valori sono forniti per 9 valori del periodo di ritorno TR: 30, 50, 72, 101, 140, 201, 475, 975 e 2475 anni. La normativa specifica inoltre come interpolare i valori di riferimento per ottenere i valori di ag, Fo e TC* per qualunque sito del territorio nazionale e per qualunque valore del periodo di ritorno TR compreso nell’intervallo [30 -2475] (Allegati A e B delle NTC 2008). Per TR<30, con riferimento al programma di ricerca DPC-ReLUIS si opera un’estrapolazione con una funzione del tipo ag(TR)= k (TR)α, dove k e α sono calcolati sulla base delle prime tre coppie (TR, ag). 

La Risposta Sismica Locale deriva dalla pericolosità sismica di base e tiene conto delle amplificazioni di origine stratigrafica e topografica.

Per determinare la risposta sismica locale sono disponibili due approcci

- un approccio semplificato che si basa sulla classificazione del sottosuolo e l’individuazione, mediante apposite tabelle fornite dalla normativa, del coefficiente di amplificazione stratigrafica SS, del coefficiente di amplificazione topografica ST nonché del coefficiente CC che modifica il periodo TC e di conseguenza gli altri periodi notevoli dello spettro (NTC 2018, §3.2.2-3) 

- un approccio rigoroso che per mezzo di un’analisi della risposta sismica locale fornisce in modo più accurato i valori dei parametri necessari per definire gli spettri di risposta in accelerazione per il sito della costruzione.

 In merito all’approccio rigoroso, l’Ordinanza n.55 del 24 aprile 2018 del Commissario del Governo per la Ricostruzione nei territori interessati dal sisma del 24 agosto 2016 fornisce i criteri generali per l’utilizzo dei risultati degli studi di Microzonazione Sismica di livello 3 (MS3).
Gli studi di MS3 trattano le amplificazioni locali del moto sismico e, dal punto di vista strutturale, consentono la corretta interpretazione dei diversi livelli di danneggiamento subiti da edifici ubicati in località vicine ma con differenti effetti locali.

immagini del Terremoto Umbria-Marche, 1997
Terremoto Umbria-Marche, 1997. Differenza di danneggiamento in località vicine, dovute ad effetti locali. A sinistra Cesi Bassa (IX MCS), a destra Cesi Villa (VII MCS) (illustrazione tratta da: Indirizzi e criteri per la microzonazione sismica, Parti I e II, a cura di F. Bramerini, G. Di Pasquale, G. Naso, M. Severino, Presidenza del Consiglio dei Ministri, Dipartimento della protezione civile, Roma, 2008)

Nell’Appendice 1 dell'Ordinanza n.55 viene indicata una procedura di regolarizzazione di uno spettro ottenuto con gli studi di MS3 che permette di risalire a tutti i parametri necessari per la definizione dello spettro di risposta elastico normalizzato (ag, TB, TC, TD, Fo, ξ, η, SS, ST). 

Regolarizzazione di uno spettro di risposta ottenuto dall'analisi della Risposta Sismica Locale

Regolarizzazione di uno spettro di risposta ottenuto dall'analisi della Risposta Sismica Locale secondo la procedura indicata nell'Ordinanza n.55 del 24.4.2018 per la Ricostruzione

Secondo questa procedura: ag=amax dove amax è l’accelerazione al punto di ancoraggio per T=0 dello spettro normalizzato, SS=1, ST=1. Rispetto alla definizione delle NTC, i valori di ag, SS e ST risultano evidentemente fittizi in quanto non riferiti alla condizione ideale di suolo rigido e pianeggiante, questo perché gli effetti di amplificazione stratigrafica e morfologica sono già messi in conto nei risultati delle analisi della Risposta Sismica Locale. 

I risultati dell’analisi della Risposta Sismica Locale dovrebbero essere disponibili per diversi valori del periodo di ritorno TR in modo analogo a quanto avviene per i parametri che definiscono la pericolosità sismica di base. Si ponga infatti attenzione al contenuto dell'allegato A alle NTC 2008:

"ALLEGATO A ALLE NORME TECNICHE PER LE COSTRUZIONI: PERICOLOSITÀ SISMICA
(...) Nei riguardi dell’azione sismica l’obiettivo è il controllo del livello di danneggiamento della costruzione a fronte dei terremoti che possono verificarsi nel sito di costruzione.
L’azione sismica sulle costruzioni è valutata a partire da una “pericolosità sismica di base”, in condizioni ideali di sito di riferimento rigido con superficie topografica orizzontale (di categoria A nelle NTC).
Le valutazioni della “pericolosità sismica di base” debbono derivare da studi condotti a livello nazionale, su dati aggiornati, con procedure trasparenti e metodologie validate.
I dati utilizzati per le valutazioni devono essere resi pubblici, in modo che sia possibile la riproduzione dell'intero processo.
La “pericolosità sismica di base”, nel seguito chiamata semplicemente pericolosità sismica, costituisce l’elemento di conoscenza primario per la determinazione delle azioni sismiche; le sue attuali fonti di riferimento sono indicate nel seguito del presente paragrafo.
La pericolosità sismica in un generico sito deve essere descritta in modo da renderla compatibile con le NTC e da dotarla di un sufficiente livello di dettaglio, sia in termini geografici che in termini temporali; tali condizioni possono ritenersi soddisfatte se i risultati dello studio di pericolosità sono forniti:
· in termini di valori di accelerazione orizzontale massima ag e dei parametri che permettono di definire gli spettri di risposta ai sensi delle NTC, nelle condizioni di sito di riferimento rigido orizzontale sopra definite
· in corrispondenza dei punti di un reticolo (reticolo di riferimento) i cui nodi sono sufficientemente vicini fra loro (non distano più di 10 km);
· per diverse probabilità di superamento in 50 anni e/o diversi periodi di ritorno TR ricadenti in un intervallo di riferimento compreso almeno tra 30 e 2475 anni, estremi inclusi;
L’azione sismica così individuata viene successivamente variata, nei modi chiaramente precisati dalle NTC, per tener conto delle modifiche prodotte dalle condizioni locali stratigrafiche del sottosuolo effettivamente presente nel sito di costruzione e dalla morfologia della superficie.
Tali modifiche caratterizzano la risposta sismica locale. (...)"

Indicatori di rischio sismico

Per quanto espresso nell'Allegato A alle NTC 2008, i risultati dello studio di pericolosità devono essere forniti per diverse probabilità di superamento in 50 anni e/o diversi periodi di ritorno TR ricadenti in un intervallo di riferimento compreso almeno tra 30 e 2475 anni, estremi inclusi.
Queste indicazioni, che corrispondono ai criteri con cui la Normativa propone il reticolo sismico di riferimento ai fini della determinazione degli spettri di risposta, possono essere considerate valide anche per l'analisi della Risposta Sismica Locale, che dovrebbe quindi includere diversi valori di TR compresi fra 30 e 2475 anni inclusi gli estremi.

Nelle applicazioni professionali correnti, si può attualmente riscontrare una non completa disponibilità di elaborazioni di Risposta Sismica Locale, spesso limitate ai periodi di ritorno che caratterizzano gli stati limite di riferimento, talvolta anche solo SLV.
Dal punto di vista professionale, ai fini della definizione di una verifica soddisfatta o meno per gli stati limite di interesse è sufficiente la conoscenza degli spettri di risposta sismica locale per tali stati limite.

Per quanto riguarda invece le analisi di vulnerabilità degli edifici esistenti, la definizione di un indicatore di rischio sismico ζE richiede la valutazione dell'azione sismica per tutti i periodi di ritorno compresi nell'intervallo che va da TR≤30 a TR=2475 anni, con particolare attenzione per i valori più bassi di TR, laddove si collocano le capacità di strutture esistenti ad alta vulnerabilità. Risulta quindi importante disporre di un'informazione completa sulla risposta sismica locale per i diversi periodi di ritorno. È peraltro indispensabile definire una procedura idonea per svolgere l'elaborazione degli indicatori di rischio anche in presenza di informazioni parziali, ossia limitate ad alcuni valori di TR.

[...] All'interno dell'articolo anche un ESEMPIO APPLICATIVO