PROVE GEOTECNICHE DI LABORATORIO Università degli studi dell’Aquila Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile-Architettura, Ambientale corso di microzonazione sismica e valutazione della risposta sismica locale per la ricostruzione post-terremoto. PROVE GEOTECNICHE DI LABORATORIO Anna d’Onofrio L’Aquila, 20/02/2013 PO FSE Abruzzo 2007-2013 – Progetto “Reti per l’Alta Formazione – RETAFO”

Professore Associato nel SSD ICAR/07 - Geotecnica Prove geotecniche di laboratorio Prof. Anna d’Onofrio Professore Associato nel SSD ICAR/07 - Geotecnica Docente di Geotecnica – Dinamica delle terre Università degli Studi di Napoli “Federico II” Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale e.mail: donofrio@unina.it Recapito telefonico: 081-7683474

Propagazione delle onde sismiche: schema concettuale Il moto sismico deriva dalla propagazione a distanza di onde di superficie e soprattutto di onde di volume, che attraversano: in profondità, ammassi di roccia lapidea in superficie, depositi di terreno. Ipotesi generalmente assunte per la modellazione: terreni naturali sotto falda azioni molto rapide nel tempo  deformazioni volumetriche (onde P)  0 rifrazioni successive (strati sempre più deformabili verso la superficie)  onde S propagantisi in direzione  verticale

Risposta meccanica dei terreni alle azioni sismiche taglio semplice (per le tensioni) distorsionale (per le deformazioni) Stati di interesse: 1. non linearità 2. non reversibilità  3. assorbimento di energia 4. deformazioni residue Comportamento osservato:

Rappresentazione del comportamento meccanico In condizioni di carico ciclico possono definirsi i c.d. parametri equivalenti: G = modulo di taglio (G0 = rigidezza a basse deformazioni =  VS2) pp = tensione picco-picco pp = deformazione picco-picco D = fattore di smorzamento (damping)   WS = energia elastica equivalente WD = energia dissipata nel ciclo

Evidenza sperimentale della natura del legame - All’aumentare del livello di sollecitazione, il ciclo tensione-deformazione: - si inclina sempre di più  la non linearità si accentua - si allarga progressivamente  la dissipazione di energia aumenta G0 =  VS2

Dipendenza del comportamento dal livello deformativo small medium large All’aumentare di : - la rigidezza G diminuisce - lo smorzamento D aumenta - si verifica accoppiamento volumetrico-distorsionale l l Si individuano due livelli deformativi di ‘soglia’: - una soglia di linearità, l - una soglia volumetrica, v v e tre campi di deformazione Oltre la soglia volumetrica v nei casi di si osservano: Drenaggio libero Terreni non saturi Drenaggio impedito Terreni saturi variazioni di volume v sovrapressioni interstiziali u degradazione ciclica [G(), D() = f(Ncicli)] distorsioni permanenti s variazioni di volume v sovrapressioni interstiziali u degradazione ciclica [G(), D() = f(Ncicli)] distorsioni permanenti s

Addensamento ciclico in condizioni drenate Accoppiamento volumetrico-distorsionale in prove cicliche su terreni granulari: accumulo di deformazioni volumetriche ( riduzione dell’indice dei vuoti) in seguito ad una successione di carichi ciclici ad ampiezza costante di deformazione distorsionale. e La graduale riduzione col numero di cicli dell’incremento di deformazione volumetrica (e decrescente con N) testimonia che il terreno diventa progressivamente sempre meno compressibile e deformabile

Degradazione ciclica in condizioni non drenate Cicli tensione-deformazione non stazionari Accumulo sovrapressioni interstiziali Degradazione ciclica del modulo di taglio Aumento/diminuzione del fattore di smorzamento (d’Onofrio e Penna, 2003)

Sovrapressioni interstiziali, liquefazione, mobilità ciclica Collasso per Liquefazione (sabbie sciolte) Mobilità ciclica (sabbie dense) Sabbia del fiume Fuji (Ishihara, 1985) aumento improvviso di deformazioni tangenziali accumulo irreversibile di sovrapressioni interstiziali aumento graduale di deformazioni tangenziali accumulo reversibile di sovrapressioni interstiziali condizione di liquefazione in termini tensionali:  condizione di liquefazione in termini deformativi:

Il fenomeno della liquefazione (1) le particelle di sabbia sciolta sono a contatto tra loro ( > 0) (2) perdita dei contatti per l’accumulo di u fino a che   0 (3) alla fine si recuperano i contatti e le particelle si addensano Vedi anche un singolare esperimento sulla liquefazione nel video http://www.youtube.com/watch?v=1KqlAMWMjOE

Effetti della liquefazione su terreni di fondazione e opere Strutture fuori terra  collasso per sprofondamento Manufatti interrati  galleggiamento

Comportamento tensio-deformativo di terreni liquefacibili Sabbia sciolta Sabbia densa I cicli assumono un aspetto distorto (a banana) con pendenza degradante verso l’orizzontale (G  0) Il comportamento post-ciclico è instabile I cicli si modificano più gradualmente con forma che tende a stabilizzarsi Il comportamento post-ciclico è stabile L’accumulo di sovrapressioni interstiziali produce una progressiva migrazione del percorso di sollecitazione verso stati tensionali prossimi alle condizioni di rottura.

Resistenza ciclica dei terreni a grana fine L’accumulo di sovrapressioni interstiziali nei terreni fini non può produrre fenomeni di liquefazione (transizione di fase), a causa della natura elettrochimica dei legami interparticellari La resistenza non drenata cu è comunque fortemente influenzata da: le stesse sovrapressioni interstiziali u la degradazione ciclica dello scheletro solido gli effetti della velocità di deformazione

Sovrapressioni, dissipazione e ricompressione post-ciclica indice dei vuoti, e Curva di consolidazione u = sovrapressione indotta (TU) stato post-sisma (TU) (S) (S) stato iniziale in sito e0 e = ricompressione post-ciclica dissipazione di u (T') (T') stato finale 'v0 tensione efficace, 'v Terreni a grana fine (saturi): STu immediato, TuT’ lento Terreni a grana grossa saturi: STu rapido, TuT’ rapido Terreni a grana grossa non saturi: direttamente ST’

Misura sperimentale dei parametri meccanici Legenda: VR = velocità onde di Rayleigh; fr = frequenza di risonanza; H.p. = metodo della semibanda di potenza; R.f. = metodo del fattore di risonanza

Caratterizzazione geotecnica con prove in sito ???? Le prove in sito forniscono però un profilo di velocità e quindi, per ciascun terreno, tutt’al più solo il valore iniziale della rigidezza, che sono utili a classificare il sottosuolo, e possono tutt’al più essere significative nelle analisi sismiche per terremoti deboli. Per i terremoti forti il comportamento del terreno va caratterizzato anche con le proprietà dissipative e tutte le altre caratteristiche meccaniche in campo non lineare, che non vengono misurate nelle prove in sito, ma nelle prove di laboratorio. terremoti deboli (weak motion) terremoti forti (strong motion)

Caratterizzazione geotecnica con prove di laboratorio in sito prove di laboratorio campionamento Le proprietà dissipative e non lineari sono quindi fornite dalle prove in laboratorio. Queste però sono eseguite su volumi di terreno molto limitati, possono risentire del disturbo del campionamento, e le procedure sperimentali spesso non riproducono esattamente lo stato naturale. Tipicamente, la rigidezza iniziale ricavata dalla misura di velocità delle onde s in sito è maggiore di quella misurata alle deformazioni minime in laboratorio. terremoti deboli (weak motion) terremoti forti (strong motion)

Caratterizzazione geotecnica con prove in sito e di laboratorio Per ovviare a queste limitazioni, è opportuno ottimizzare la caratterizzazione ‘integrando’ le prove in sito e le prove in laboratorio, ottimizzandone le capacità di misura e risoluzione nei diversi campi deformativi. Perciò ad esempio la curva di decadimento di G in funzione di gamma da usare nella progettazione sarà quella di laboratorio, scalata opportunamente per il valore misurato in sito. In altre parole, le prove di laboratorio forniscono la curva normalizzata G(gamma)/Go, mentre le prove in sito forniscono i valori più attendibili di Go, ottenibile moltiplicando Vs al quadrato per la densità. terremoti deboli (weak motion) terremoti forti (strong motion)

Prova Triassiale Ciclica (CTX) Tecnica di esecuzione: Cicli di estensione-compressione a f costante. Controllando separatamente pressione di cella r e sforzo assiale a è possibile riprodurre qualsiasi percorso di sollecitazione. Campo di deformazioni investigato: Campo di frequenze tipico: f = 0.01-1 Hz preferibile a deformazione controllata risultato tipico: rapporto tensionale ciclico (q/r):Nc direzione fissa delle tensioni principali  condizioni in sito Prestazioni:

Stati tensionali possibili nella prova CTX Compressione isotropa r = costante Cicli q in compressione-estensione Compressione anisotropa a  r = costante Cicli q in compressione-estensione se q> a Compressione isotropa r = variabile in opposizione di fase con i cicli q Cerchi Mohr simmetrici Percorso q:p inclinato 3:1 Inversione 3 con 1 Cerchi Mohr asimmetrici Percorso q:p inclinato 3:1 Inversione 3 con 1 se q> a Cerchi Mohr simmetrici Percorso q:p verticale (taglio semplice) Inversione 3 con 1

Prova CTX: apparecchiature per terreni a grana medio-fine Cella dell’IIS-Tokyo dell’Università di Napoli

Prova CTX: risultati sperimentali Tracce temporali q(t), a(t), u(t) Cicli di isteresi q:a e percorsi q:p’ TSP ESP Prova CTX non drenata a percorso di carico controllato (p=cost.) sull’argilla ricostituita di Bisaccia (IP=100%) (Università di Napoli)

Prova CTX: sviluppi tecnologici nella misura delle deformazioni Misura locale delle deformazioni assiali del provino con trasduttori LDT  risoluzione  fino a <0.001%

Prova CTX su terreni a grana medio-fine: risultati sperimentali Cicli a basse deformazioni applicati a frequenza variabile  E0 crescente e D0 decrescente con la velocità di deformazione Prove CTX sulla sabbia limosa costipata (terreno ‘saprolitico’ da gneiss alterati) usata per il nucleo della diga di Castagnara (RC) (Università di Napoli)

Prova CTX: apparecchiature per terreni a grana grossa misura variazioni di volume pannello di controllo pressioni

Prova CTX su terreni a grana grossa: risultati sperimentali Prove CTX non drenate a carico controllato (c = cost.) su sabbie ghiaiose di Messina (d50 = 1 mm, CU = 6.6) (Flora et al., 2012)

Prova di Taglio Semplice Ciclico (CSS) Tecnica di esecuzione: Cicli di taglio semplice simmetrici a f costante. È controllabile la sola tensione verticale v (stato tensionale di confinamento tipo k0) Campo di deformazioni investigato: NGI DSDSS Campo di frequenze tipico: f = 0.01-1 Hz difficoltà misura tensioni normali orizzontali r  percorsi tensionali ? distribuzione tensioni/deformazioni non-uniforme risultato tipico: rapporto tensionale ciclico (/v):Nc direzione variabile delle tensioni principali = condizioni in sito Prestazioni:

Prova CSS: apparecchiature classiche Cella tipo Cambridge (provino prismatico) Cella tipo NGI (provino cilindrico)

Prova CSS: recenti sviluppi Apparecchiatura di taglio semplice ciclico con doppio provino (DSDSS) versione UCLA in dotazione all’Università di Roma La Sapienza

Prova CSS: risultati sperimentali Prove DSDSS sull’argilla di Santa Barbara (D’Elia, Lanzo, Pagliaroli, 2003)

Prova di Taglio Torsionale Ciclico (CTS) Tecnica di esecuzione: Condizioni di taglio semplice riprodotte con cicli di coppia torcente a frequenza costante Pre-sollecitazione: - isotropa su provini pieni - anche triassiale su provini cavi Campo di deformazioni investigato: Campo di frequenze tipico: f = 0.01-1 Hz prova tradizionalmente a tensione controllata elevata risoluzione a deformazioni pre-rottura poco adatta per resistenza ciclica, misurabile solo in alcune versioni Prestazioni:

Tensioni e deformazioni nella prova CTS Mt sc q g  lineare con z rotazione rigida nel piano  u R   r L Nell’ipotesi di rotazione rigida nel piano, se  varia con z secondo una legge lineare, anche lo spostamento u e la deformazione  variano lungo il raggio della sezione con legge lineare, mentre  varia con r in relazione alla non linearità del legame - (G decrescente con ). (raggio medio equivalente) Operativamente si pone: dove: (momento polare d’inerzia della sezione)

Degradazione ciclica in condizioni non drenate Cicli tensione-deformazione non stazionari Accumulo sovrapressioni interstiziali Degradazione ciclica del modulo di taglio Aumento/diminuzione del fattore di smorzamento Prove CTS su sabbia limosa costipata del Parco del Cilento (d’Onofrio e Penna, 2003)

Prova CTS: risultati sperimentali (terreni a grana fine) Cicli di isteresi : da misure di coppia M e rotazione  alla testa del provino Curve rigidezza-deformazione da singolo ciclo (A) o da cicli multipli (B) con velocità crescenti prova a carico monotòno prova a carico ciclico Prove CTS sull’argilla di Pisa (Cavallaro, 1997)

Prova di Colonna Risonante (RC) steady-state (oscillazione forzata) free decay (oscillazione libera) Tecnica di esecuzione: Idem come prova CTS (stessa apparecchiatura). Prove a frequenza: variabile (steady state) non controllabile (free decay) Campo di deformazioni investigato: Campo di frequenze tipico: f = 10-100 Hz frequenza variabile o non controllabile  variabile con  alta risoluzione, affidabilità e ripetibilità a piccole deformazioni meno affidabile per deformazioni  > 0.1% (effetti non linearità e Nc) Prestazioni:

Prova RC: il modello dinamico di riferimento Schema di riferimento fixed-free, in cui il provino di terreno è: - rigidamente vincolato alla base (0,t)=0 - sollecitato in testa tramite una massa infinitamente più rigida e priva di vincoli esterni con momento polare di inerzia I0 (noto da calibrazione dell’apparecchiatura) Dall’eguaglianza tra la coppia risultante dall’equilibrio dinamico della massa rigida di inerzia I0: ed il momento torcente alla testa del provino: Mt Mt = coefficiente di viscosità (*) si ottiene : (*) Nel sistema a 1 gdl si ha: e nel mezzo continuo, per analogia:

Prova RC: equilibrio dinamico del sistema In condizioni di oscillazione libera, l’equazione omogenea è: Mt La soluzione generale è esprimibile nella forma: in cui: La ‘funzione di forma’ che descrive la distribuzione di  lungo z è conforme alla condizione (0,t)=0 Sostituendo quindi le derivate della rotazione nell’equazione si ottiene: Esprimendo G in funzione di Vs e moltiplicando entrambi i membri per l’altezza L del provino si ottiene: Introducendo il momento polare d’inerzia del provino cilindrico e semplificando, si ha l’equazione di frequenza (che si dimostra valere anche in oscillazione forzata) Introducendo il fattore di frequenza si ha

Prova RC: utilità dell’equazione di frequenza e casi particolari Note le caratteristiche dinamiche del sistema, risolvendo per via iterativa l’equazione in F, e misurando fn (in oscillazione libera o a risonanza), si ottiene in definitiva Se I0 >> I,il rapporto k tende a 0, il sistema si comporta come un SDOF, e risulta: Se I0 << I,il rapporto k tende a , il sistema si comporta una barra vincolata ad un’estremità e libera all’altra, con: L<<  Deformata (z) lineare (z)  Deformata (z) sinusoidale L=/4 (z)

Prova RC: misura dello smorzamento Lo smorzamento è misurabile dalla curva di risposta in frequenza del sistema applicando due metodi: Semibanda di potenza Fattore di risonanza dal rapporto tra la semilarghezza della curva in corrispondenza del valore efficace dell’ampiezza e la frequenza di risonanza dal rapporto di amplificazione dell’ampiezza del moto a risonanza rispetto a quella misurabile in condizioni statiche f1, f2 = frequenze di taglio in corrispondenza di fr = frequenza di risonanza max = ampiezza massima (a risonanza) della curva di risposta s = deformazione statica per una coppia di eguale ampiezza M0 2  (G calcolato a partire da fr)

Prove CTS-RC: apparecchiature classiche Cella di taglio torsionale RCTS dell’Università di Napoli (Silvestri, 1991)

Prove CTS-RC: apparecchiature avanzate Cella di taglio torsionale THOR dell’Università di Napoli (D’Onofrio, 1996)

Prove CTS-RC: il magico mondo dell’elettronica... Strumentazione di controllo ed acquisizione celle RCTS e THOR (Università di Napoli)

Prova RC: risultati sperimentali su terreni a grana fine f decrescente con  (f  VS  G0.5) Prove RC su marna argillosa di San Giuliano di Puglia

Prove CTS-RC: risultati sperimentali su terreni a grana fine Parametri equivalenti da prove CTS a frequenza crescente vs. prove RC sullo stesso provino f crescente f crescente Prove CTS e RC su argilla marnosa di San Giuliano di Puglia

Prova con Bender Elements (BE) Tecnica di esecuzione: Trasduttori piezoceramici sorgente (S) e ricevitore (R) inseriti in testa e base provino eccitati da impulsi elettrici con deformazione flessionale Campo di deformazioni investigato: Campo di frequenze tipico: f > 100 Hz installati in apparecchiature per prove statiche (p.es. TX) adoperati per terreni granulari e fini misurabili solo parametri a basse deformazioni raccomandata analisi nel dominio delle frequenze Prestazioni:

Prova con BE in cella triassiale Misure di velocità onde P e S su un provino asciutto (Brignoli e Gotti, 1992)

Prove in sito vs. laboratorio: riepilogo proprietà allo stato naturale comportamento non-lineare non misurabile In sito Laboratorio affette da disturbo campioni da basse deformazioni a rottura Uso combinato per comportamento tensio-deformativo pre-rottura rigidezza: smorzamento: o Caratterizzazione della resistenza a rottura prove laboratorio: risultati influenzati da fattori sperimentali prove in sito: preferite per la stima del potenziale di liquefazione con metodi empirici

L’emergenza post-terremoto Abruzzo: il Progetto C.A.S.E. C.A.S.E. = Complessi Antisismici Sostenibili Ecocompatibili Dopo il sisma aquilano, il DPC ha proceduto all’edificazione di alloggi per circa 13.000 senzatetto nell’emergenza, destinati poi forse agli studenti… Si tratta di 119 edifici da 2-3 piani costruiti a secco su piastre in c.a. isolate alla base. Il programma ha previsto la consegna di circa 300 abitazioni a settimana, completata entro la fine 2009, cioè meno di 9 mesi dopo il terremoto (6 mesi dopo l’apertura dei cantieri).

Siti originariamente previsti per il Progetto C.A.S.E.

Edifici isolati e risposta in frequenza del sito Esigenze della progettazione strutturale: T > 3-4 s Frequenza fondamentale del sottosuolo: fS > 0.5 Hz

Frequenze strumentali Attività sperimentali per i siti del progetto C.A.S.E. Sito Frequenze strumentali MASW Sondaggi DownHole SDMT Lab Aftershocks Microtremori Attive Passive   S. Antonio  INGV Milano UniNa - UniMol Geotrivel Polo Geologico Il Moro 1 INGV Roma  PoliTo Cese di Preturo UnivAq UniNa + AMRA Pagliare di Sassa  TecnoSoil  ISMGEO S. Giacomo Tempera1 UniFi ISMGEO UniRoma1  Bazzano Sant'Elia1 Sant'Elia2 Roio Piano INGV Roma Tecnosoil UniRc UniRoma1 UniCt UniNa+AMRA  Sassa-NSI Paganica Nord Monticchio INGV Roma/Milano Geo (Taddei) UniNa+AMRA Pianola Camarda INGV Milano Attività Prove in sito Prove di laboratorio Prove in sito + laboratorio

La rete AGI dei laboratori di geotecnica sismica per l’emergenza Abruzzo Dy.La.N. (Dynamic Laboratories Network)

Programma di prove di laboratorio Progetto C.A.S.E. Sito Sondaggio Campione Prof. (m) Prove cicl./din. c (kPa) Prove routine Lab Cese di Preturo (area 2) S3 C1 4.0-4.8 RC-CTS 100 AA, LL, Ed UniNa/AMRA C2 8.5-8.8 150 C3 17.5-18.0 300 Pagliare di Sassa S2 2.8-3.4 RC ISMGEO 22.0-22.5 280 Sassa S1 7.5-8.1 130 15.0-15.5 Tempera (area 3) T1 1.5-1.8 non eseguibili AA, LL T2 5.5-6.0 UniFi T3 12.0-12.5 DSDSS 220-500-750 UniRoma1 Camarda (area 3) 4.5-5.0 75 PoliTo Monticchio (area 5) 15.0-15.3 Roio Piano (area 8) 4.0-4.5 90 UniCt 7.0-7.5 120-250 C4 15.0-15.4 200 C5 18.0-18.5 prove non eseguibili C6 23.7-24.0 UniRc C7 33.0-33.4 380-800 C8 49.6-50.0 500 Pianola (area 9) 6.0-6.5 90-200-400 AA, Ed N. totale campioni 21 (19)

Granulometria e plasticità dei terreni fini dei siti C.A.S.E. Frazione argillosa CF < 30%, IP < 25% Frazione argillosa CF > 30%, IP > 25% Presenza di sostanze organiche e/o lignite ML Limi inorganici da bassa a media plasticità CL Argille inorganiche da bassa a media plasticità OL Limi e argille organiche di bassa plasticità MH Limi inorganici di alta plasticità CH Argille inorganiche di alta plasticità OH Argille organiche da media a alta plasticità d’Onofrio et al. (2012)

Rigidezza e smorzamento dei terreni fini da prove RC Frazione argillosa CF < 30%, IP < 25% Frazione argillosa CF > 30%, IP > 25% Presenza di sostanze organiche e/o lignite Le curve standard di letteratura (V&D 1991): - a basse , sottostimano la non linearità e lo smorzamento dei terreni della conca aquilana - a  più elevate, li sovrastimano d’Onofrio et al. (2012)