SISMICITA’ E RISCHIO SISMICO

Filippo DACARROEuropean Centre for Training and Research in Earthquake Engineering

Università degli Studi di Pavia, Italy

filippo.dacarro@eucentre.it

Corso di progetto di strutture in zona sismicaProf. Calvi

•N°2 Prove in itinere;

•Progetto edificio in c.a. – Zona 1=accelerazione attesa a livello della fondazione superiore a 0,25g;

•Numero minimo di piani fuori terra=4+piano terra;

•Dimensione minima inscrivibile in un rettangolo 40x60;

•Orale;

•Il progetto dovrà essere consegnato prima dell’orale;

•Al progetto sarà assegnato un peso 0,4 mentre 0,3 saràassegnato agli scritti;

•Non sono ammessi gruppi di progettazione formati da più di 3 persone.

L’esame

Dynamics of Structures

Anil K. Chopra

COS’È UN TERREMOTO ? Improvviso rilascio di energia accumulata dalle rocce in profondità che, sottoposte alle azioni dei continui movimenti della crosta terrestre, si rompono lungo superfici di scorrimento chiamate faglie.

Parte di tale energia èliberata sotto forma di onde sismiche, che provocano lo scuotimento del suolo in superficie .

Circa 2 miliardi di persone vivono in aree a rischio sismico

Le vittime dei terremoti dall’inizio del secolo sono state:

circa 1.400.000 nel mondo

circa 150.000 in Italia

Il fenomeno fisico

TETTONICA DELLE PLACCHE

Da: Press and Siever, 1994 and USGS

Placche convergenti

Placche divergenti Continente

Placche convergenti

Placche divergenti Continente

Le placche di litosfera poggiano su di uno strato viscoso (astenosfera). Il loro moto relativo è dovuto ad uno squilibrio termico interno alla Terra, che innesca moti convettivi nello strato corrispondente al mantello.

Due teorie: 1) comportamento PASSIVO delle placche “galleggianti” sul mantello 2) Comportamento ATTIVO delle placche, che prendono direttamente parte al processo convettivo, subendo processi di riscaldamento e raffreddamento

MARGINI DELLE PLACCHE

a) MARGINI DIVERGENTI: le placche A e B si allontanano, MARGINI CONVERGENTI: le placche B e C entrano in collisione (zone di subduzione, i terremoti hanno origine particolarmente in queste zone).

b) MARGINI TRASFORMI: le placche A e B scorrono lateralmente fra di loroDa: Press and Siever (1994)

TIPI DI FAGLIE

Gli scorrimenti delle faglie reali sono rappresentabili mediante una combinazione (sovrapposizione) dei movimenti descritti Da: Press and Siever (1994)

Faglia DIRETTA – espansione Faglia INVERSA – subduzione

Faglie TRASFORMI – taglio FAGLIA OBLIQUA

ESEMPIO: LA FAGLIA DI SAN ANDREAS, CARRIZO PLANE, CALIFORNIA

Il complesso di San Andreas è costituito da un insieme di faglie, anche se generalmente si parla di “faglia” trasforme.

Esso rappresenta il limite di separazione fra la placca pacifica e quella nordamericana. In sintesi, mentre Los Angeles si muove in direzione delle isole Hawaii, la “vicina”Berkeley si muove insieme a New York sulla placca nordamericana.

Tale zona è estremamente significativa da un punto di vista scientifico perché permette l’osservazione diretta e lo studio sia dei meccanismi di faglia, sia dei frequenti eventi sismici associati

Una caratteristica particolare è che, mentre tutto il complesso è contraddistinto da una elevata sismicità, la porzione centrale è una faglia “inattiva”

Le faglie sono da ritenersi l’origine, piuttosto che l’effetto di un terremoto, da esse generato secondo il seguente schema:

1) Due blocchi crostali, separati da una superficie di faglia, si trovano nella posizione originaria indeformata. Lungo la superficie di faglia si ha un progressivo accumulo di sforzi.

2) Tale accumulo di sforzi provoca una deformazione elastica della zona interessata

3) Raggiunto il limite di rottura in un punto, si ha uno scorrimento dei due ammassi rocciosi lungo la superficie di faglia, con concomitante rilascio istantaneo di energia

4) I due ammassi rocciosi raggiungono ad una nuova condizione di equilibrio (configurazione indeformata, non piùcoincidente con la posizione originaria)

MECCANISMO DI GENESI DEI TERREMOTI

epicentro

ipocentro o fuoco

faglia

epicentro

ipocentro o fuoco

faglia

PROPAGAZIONE DELLE ONDE SISMICHE

Le onde sismiche si diffondono dall’ipocentro in direzione radiale. Attraversando gli strati all’interno della Terra, subiscono fenomeni di rifrazione e riflessione, esattamente come quando un raggio luminoso passa da un mezzo ad un altro con caratteristiche diverse

Ipocentro: punto in cui ha origine la scossa sismica o rilascio di energiaEpicentro: intersezione della verticale all’ipocentro con la crosta terrestreDistanza focale: distanza di un punto della superficie dall’ipocentroDistanza epicentrale: distanza di un punto della superficie dall’epicentro

TIPI DI ONDE SISMICHEOnde di volume (si propagano in un mezzo continuo)

Onde P (“primarie” o “longitudinali”): longitudinali alla direzione del moto, sono le più veloci (v ~ 5 ÷ 7 km/s), producono i tipici boati, responsabili dei maremotiOnde S (“secondarie” o “trasversali”): perpendicolari alla direzione di vibrazione, non si propagano in acqua, v ~ 3 ÷ 4 km/s

Onde di superficie (si propagano in superficie, sono la principale causa dello scuotimento del suolo e dei danni ambientali, v = 3.5 km/s)

Onde di Love: vibrano in un piano parallelo alla superficie terrestre, perpendicolarmente alla direzione dell’onda Onde di Rayleigh vibrano in un piano perpendicolare alla superficie terrestre e inducono un movimento ellittico nelle particelle interessate

La misura del terremoto

Sismoscopio di Chang: primo strumento per la misurazione dei terremoti, costruito in Cina nel 132 A.C.

Le bocche dei draghi tengono delle palline tramite dei meccanismi a leva, connessi ad un pendolo interno. Si riteneva che la direzione dell’epicentro fosse indicata dalla prima pallina che cadeva.

STRUMENTI DI MISURA DEI TERREMOTI

Gli effetti sulle strutture in un sito non indicano la grandezza di un terremoto

Per misurare le caratteristiche di un terremoto occorre disporre di una registrazione oggettiva strumentale dello scuotimento.

Lo strumento impiegato è il sismografo/accelerometro ‘strong motion’.

Questi strumenti registrano l’accelerazione del terreno nel tempo

Sismografo e tipi di pendoli per sismografi a lungo periodo per la misura degli spostamenti (pendolo orizzontale e pendolo inverso)

REGISTRAZIONE DEI TERREMOTI

Accelerogramma: accelerazione in funzione del tempo). L’intervallo TSP misura lo sfasamento tra le onde P e S e consente di ricavare la distanza ∆ della stazione di registrazione dall’ipocentro del terremoto. La posizione assoluta dell’ipocentro è determinata dall’intersezione delle registrazioni di tre stazioni

Componente N-S del terremoto di El Centro (California, 1940), in termini di accelerazione, velocità e spostamento

Onde P Onde SOnde L

∆⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

PSSP VV

T 11

Onde P Onde SOnde L

∆⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

PSSP VV

T 11∆⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

PSSP VV

T 11∆⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

PSSP VV

T 11

INTENSITA’ (scala di Mercalli)Scala empirica che misura gli effetti di un terremoto sull’ambiente, sulle persone, sugli edifici. È una grandezza meno rappresentativa

perchè dipendente dalle condizioni di misura, ma permette di classificare i terremoti del passato

MAGNITUDO (scala Richter)Definita da Richter nel 1935 attraverso la misura dell’ampiezza massima della traccia registrata dal sismografo, rapportata con una

misura di riferimento standard. È indipendente dagli effetti che il terremoto provoca sull’uomo e sulle costruzioni. Permette di confrontare eventi sismici avvenuti in diverse parti del Mondo ed in tempi diversi.E’ proporzionale alla lunghezza di faglia ed all’energia rilasciata

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

scalaMercalli

scalaRichter

7.0

6.0

5.0

4.0

3.0

2.0non percepito

percezione crescente,reazioni di paura, cadutadi oggetti, senza danni

danni lievi

crolli e distruzione di unapercentuale crescente diedifici

storicamente mai raggiunto

Correlazione appprossimata tra l’intensitàepicentrale (MCS) e la magnitudo di Richter

MISURA DELLA GRANDEZZA DEI TERREMOTI

PARAMETRI DEL LIVELLO DI SCUOTIMENTO• Magnitudo

– Più grande è la magnitudo, maggiore è l’energia rilasciata• Distanza

– Lo scuotimento si attenua con la distanza, a causa dell’amplificazione delle dimensioni del fronte d’onda e di dissipazioni energetiche

• Condizioni locali del suolo– Amplificazione dovuta alle diverse caratteristiche degli strati di terreno

dall’ipocentro fino in superficie

Approssimativamente, terremoti in grado di provocare vittime e seri danni agli edifici, possono essere caratterizzati da una magnitudo da 5.5 in su.

L’incremento di una unità di magnitudo corrisponde a un incremento di energia rilasciata pari a circa trenta volte.

M = 5M = 6

M = 7

Zona Anno Perdite umane1 Regione dello Shansi, Cina 1556 8300002 Calcutta, India 1737 3000003 Antiochia, Siria 1526 2500004 Tientsin e Tangshan,Cina 1976 242000 – M= 8.25 Tokyo, Giappone 1707 2000006 Tokyo e Yokohama 1923 200000 – M= 8.37 Nan-chan, Cina 1927 200000 – M= 8.3

8 Sud Est Asiatico 2004 140000 – M= 9.09 Hokkaido 1730 130000

10 Turkmeinstan, URSS 1948 11000011 Chihli, Cina 1290 10000012 Gansu, Cina 1920 100000 – M= 8.613 Reggio Calabria e Messina, Italia 1908 86000 – M= 7.2

TERREMOTI STORICI IN ORDINE DI PERDITE DI VITE UMANE

I PIÙ GRANDI TERREMOTI NEL MONDOZona Anno Magnitudo

1 Cile 1960 9.52 Prince William Sound, Alaska 1964 9.23 Andreanof Islands, Alaska 1957 9.14 Al largo di Sumatra, Indonesia 2004 95 Kamchatka 1952 96 Al lrago della costa dell'Ecuador 1906 8.8

7 Northern Sumatra, Indonesia 2005 8.78 Rat Islands, Alaska 1965 8.79 Assam - Tibet 1950 8.6

10 Ningxia-Gansu, China 1920 8.6

11 Kuril Islands 1963 8.512 Banda Sea, Indonesia 1938 8.5

TERREMOTI DEGLI ULTIMI 100 ANNI IN ORDINE DI MAGNITUDO

Gli effetti del terremoto in Italia

Terremoto di Reggio Calabria e Messina, 1908

Terremoto del Friuli, 1976

Terremoto in Irpinia e Basilicata, 1980

Terremoto di Umbria e Marche, 1997

Terremoto del Molise, 2002

Terremoto dell’Aquila, 2009

REGGIO CALABRIA E MESSINA , 1908

M = 7.2, 86000 VITTIME

Messina, 27 dicembre 1908

Messina, 29 dicembre 1908

FRIULI , 1976

M = 6.5, 922 VITTIME

IRPINIA E BASILICATA, 1980M = 6.9, 2800 VITTIME

UMBRIA E MARCHE, 1997 M = 5.9

11 VITTIME

MOLISE, 2002 M = 5.6

34 VITTIME

ABRUZZO, 2009 M = 6.3

300 VITTIME; 70.000 SFOLLATI

Abruzzo, 2009

Nel Mondo

Pakistan, 2005

Algeria, 2003

Turchia, 1999

Esempi di inadeguata risposta sismica

delle strutture

COLLASSO PER PIANO DEBOLE

ESPULSIONE TAMPONATURE E PIANO DEBOLE CON COLLASSO VERTICALE

COLLASSO PER CARENZE IN FONDAZIONE

IRREGOLARITÀ IN PIANTA ED IN ELEVATO

1) Si possono prevedere i terremoti?2) Si può annullare (o almeno ridurre) l’effetto distruttivo dei terremoti?

1) Si possono prevedere i terremoti?

• I tentativi di prevedere i terremoti risalgono agli albori dell’umanità

• La storia della sismologia è ricca di personaggi che hanno rivendicato la “scoperta” di metodi per prevedere i terremoti: Aggarwal, Varotsos, Bakun, Kossobokov,… e anche in Italia: Bendandi, Giuliani..

• Addirittura negli anni ’70 in California si era arrivati a formulare una “teoria della prevsione”: la teoria della dilatanza-diffusione:– Sotto forte carico la roccia si dilata per

l’apertura di microfratture– Le microfratture si riempiono d’acqua e si

propagano – Ciò diminuisce la resistenza meccanica– E porta alla rottura

A-INCLINAZIONE DEL TERRENO

B-DIFFERENZIALE DI POTENZIALE ELETTRICO

C-COMPORTAMENTI ANIMALI ANOMALI

D-VARIAZIONI DELLA FALDA ACQUIFERA

E-SCOSSE SISMICHE

F-CONCENTRAZIONE DI Rd

La “teoria” è semiempirica e fonda tutta la sua credibilità sulla osservazione di fenomeni precursori

• Messa alla prova in innumerevoli casi questa teoria ha fatto fiasco, al pari di ogni altro “metodo” di previsione

• In un caso però, clamorosamente, sembrò funzionare:

Haicheng, Cina, 1975: Un grande terremoto –l’unico in tutta la storia – previsto con successo?

• A metà dicembre 1974 si verifica uno sciame sismico nelle vicinanze di Liaoyang, circa 70 km a N di Haicheng. La scossa principale, M=4.8, fu avvertita in un’area vasta, ma gli “esperti” tranquillizzarono la popolazione poiché questa era nota come regione a bassa sismicità.

• Inizia comunque l’osservazione del comportamento degli animali e del livello dell’acqua dei pozzi in tutta la regione Shenyang-Tantung-Dairen, ma non si trova nessun segnale chiaro.

• inizia anche l’osservazione della inclinazione del terreno, della sua resistività’elettrica, del livello del radon, ma anche questa senza alcun segnale chiaro.

•Uno violento sciame di scosse sismiche ad Haicheng inizia il 1 febbraio e raggiunge il picco la sera del 3 febbraio. 10 eventi ebbero M>3 e 2 ebbero M>4.

La “previsione” di Haicheng

4 FEBBRAIO 1975: la scossa principale, M= 7.3

Dall’analisi dei sismogrammi si ricavano i dati della faglia sorgente: non coincidono con nessuna faglia nota

Bilancio dell’evento: 2.041 MORTI e 27.538 FERITI, 90% DEGLI EDIFICI DISTRUTTI

Se non fosse stata evacuata la città si stimano più di 150.000 TRA MORTI E FERITI

UNA PREVISIONE AZZECCATA?NO!

I DOCUMENTI MOSTRANO INEQUIVOCABILMENTE CHE

NON CI FU ALCUNA PREVISIONE, NE’ ALCUN ORDINE DI EVACUAZIONE.

SPAVENTATA DALLE SCOSSE, LA GENTE ABBANDONO’ SPONTANEAMENTE LA CITTA’

L’INCAPACITA’ DEGLI SCIENZIATI CINESI DI

PREVEDERE I TERREMOTI CONFERMATA IL 28 LUGLIO 1976, DA TANGSHAN M=7.6TANGSHAN, florida città industriale con 1 milione di abitanti

NESSUN FENOMENO PRECURSORE, NESSUNO SCIAME,

NESSUNA EVACUAZIONE:

250.000 MORTI e 164.000 FERITI

Quindi…

• Haicheng è stato solo un caso eccezionalmente fortunato

• Un caso in cui il terremoto si “è previsto da solo”

• Una cosa analoga stava succedendo a L’Aquila

In generale, però…Ari Ben-Menahem, in A Concise History of Mainstream Seismology: Origins,

Legacy, and Perspectives, BSSA 1995, p. 1216:

``1992 14 April. Unpredicted earthquake of magnitude 6 in the heart of Europe, amidst hundreds of seismographs, computers, and professors of seismology. Just another reminder that even with allthe accumulated seismological lore since the Lisbonearthquake (1755), we are still as surprised byearthquakes now as we were then."

In conclusione

Non esiste evidenza scientifica della possibilità di prevedere un terremoto

Fenomeni fisici intrinsecamente imprevedibili

Tutti quelli in cui la fisica di base è non-lineare. Non necessariamente devono essere complessi. Si pensi al lancio di un moneta: si può prevedere con certezza il risultato del prossimo lancio?

I terremoti sono fratture e la fisica delle fratture èaltamente non-lineare

2) Si può annullare (o almeno ridurre) l’effetto distruttivo dei terremoti?

• Deve essere possibile giacché un terremoto poco più piccolo di quello dell’Aquila (M=5.0 anziché M=5.8) nel centro di Los Angeles poco prima non ha prodotto il benché minimo danno.

Le dimensioni del problema

A partire dal 1000 d.C fino ad oggi, almeno 200 terremoti hanno avuto effetti disastrosi in Italia

La distruzione dei terremoti• L’attenzione dei media è concentrata sulle vittime• Ma la mortalità da terremoto è bassa

Poca cosa in confronto alle malattie o agli incidenti stradali

E’ marginale anche rispetto ad altre

catastrofi naturali

I terremoti sono delle catastrofi soprattutto dal punto di vista economico: il costo del terremoto dell’Aquila del 6 aprile 2009 èstimabile in almeno 100 miliardi di Euro.

L’Italia è un paese ad alto rischio sismico

Il Rischio Sismico

Il Rischio Sismico è frutto della combinazione di tre elementi

1. La pericolosità

2. La vulnerabilità

3. L’esposizione

L’approccio di difesa dai terremoti seguito in Italia nell’ultimo ventennio

• Si è basato su1. Carta di pericolosità sismica. E’ più o meno la

stessa da 40 anni.2. Normativa antisismica rigorosa. Ma solo per i

fabbricati di nuova costruzione, che sono il 10% del totale.

3. Ricerca geofisica di base. Purtroppo di nessuna utilità pratica

L’approccio seguito in Italia• Sono mancate totalmente:

1. Una mappa dell’amplificazione sismica2. Una mappa della vulnerabilità sismica3. Una mappa combinata della vulnerabilità

e del valore esposto4. Una normativa di intervento sul

patrimonio edilizio esistente, che è oltre il 90% del totale

E’ un approccio che si è mostrato drammaticamente sbagliato

La mappa dell’amplificazione sismica è ben piùimportante della mappa di pericolosità!

Distruzione totale a Onna Pochi cornicioni caduti a Monticchio

Abruzzo, Aprile 2009

I due paesi sono a 1 chilometro di distanza l’uno dall’altro, esattamente all’epicentro del terremoto dell’Aquila e quindi con identica pericolosità, ed hanno identiche tipologie

costruttive

L’importanza fondamentale del valore esposto

• In Italia il patrimonio storico monumentale è un bene dell’Umanità:

• E nostro dovere proteggerlo in modo adeguato. • Anche perché per l’Italia è fonte di una delle

industrie più importanti: il turismo • Durante il terremoto dell’Umbria (1997) la

Basilica di Assisi crollò sotto gli occhi del mondo.

Le aree in cui intervenire sono note

Come note sono le tecniche di costruzione antisismica

Non serve ricercare tecniche esotiche: basta la classica controventatura

La Torre dell’Embarcadero di San Francisco, all’epicentro del terremoto del 1906, M=7.9, subìsolo danni modesti

Occorre solo pianificare le priorità di intervento

• Identificare le zone specifiche in cui èmassima l’amplificazione sismica

• Identificare i singoli edifici in cui la vulnerabilità sismica è alta

• Incrociare i dati di amplificazione con quelli di pericolosità, di vulnerabilità e di valore esposto

• Stabilire le priorità di intervento

Le valutazioni di amplificazione sismica e di vulnerabilità sono facili, rapide e poco costose

Analisi modale passiva del terreno

Analisi modale passiva dell’edificio (Torre degli Asinelli, Bologna)

Tromografodigitale portatile

In conclusione,

• Ridurre gli effetti distruttivi dei terremoti non solo è possibile: è prassi consolidata da quasi un secolo in tutti i paesi sismici con un’economia a livello di G8.

• L’Italia è allineata al 3° mondo a causa di scelte drammaticamente sbagliate

• Occorre cambiare rotta. Possibilmente prima della prossima catastrofe.