LIQUEFAZIONE©: nuovo codice di calcolo per gli studi di liquefazione nelle Microzonazioni di terzo livello

Tra le ultime novità dell'azienda Stacec c'è il nuovo codice di calcolo LIQUEFAZIONE^©, lo strumento avanzato per affrontare mediante analisi numeriche di risposta sismica locale la verifica nei confronti della liquefazione dei terreni sotto falda.

Il software è in grado di valutare l'incremento delle sovrappressioni interstiziali indotto dal sisma mediante analisi numeriche di risposta sismica locale; il suo maggiore utilizzo riguarda gli studi di liquefazione di livello 3, a valle delle analisi condotte nelle aree urbane che il livello 1 di Microzonazione Sismica ha perimetrato come Zone di Attenzione per instabilità da liquefazione.

Esso nasce da un progetto di ricerca sviluppato da STACEC ed il Dipartimento di Ingegneria e Geologia dell'Università degli Studi "Gabriele d'Annunzio" di Chieti-Pescara.

Stimare l’incremento delle sovrappressioni interstiziali indotto dal sisma con un nuovo codice di calcolo

L’accumulo delle pressioni interstiziali in terreni sabbiosi e limosi sollecitati da carichi sismici di media e alta intensità, in terreni sotto falda, può generare l’abbattimento della rigidezza e della resistenza del materiale, portandolo ad un cambiamento di stato, da solido a liquido: questo fenomeno prende il nome di liquefazione.

L’innesco del suddetto fenomeno e dei danni da esso derivanti è noto alla comunità scientifica fin dagli anni settanta e nel tempo sono stati formulati diversi metodi numerici, più o meno sofisticati, in grado di stimare il potenziale di liquefazione in presenza di diversi tipi di terreno in differenti contesti geologici.

In Italia dopo i terremoti dell’Aquila (6 aprile 2009: 6.3 Mw, 8.8km di profondità), dell’Emilia Romagna (20 maggio 2012: 6.1 Mw, 6.3km di profondità; 29 May 2021: 5.8 Mw, 5 km di profondità ) e la sequenza sismica Amatrice-Norcia-Visso (2016/2017, tra cui: 24 agosto 2016: 6 Mw, 8.1 km profondità; 30 ottobre 2016: 6.5Mw, 9 km di profondità) sono stati registrati diffusi fenomeni di liquefazione che hanno portato nel 2018 all’integrazione degli “Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica” con le linee guida per la gestione delle aree interessate da fenomeni di liquefazioni.

Recenti aggiornamenti delle Linee Guida Italiane sulla microzonazione sismica in aree soggette ad instabilità da Liquefazione (LG, 2018) riportano che nella MS 3 (in chiave di Liquefazione) è necessario identificare le aree di Rispetto ZRLQ mediante il calcolo del Potenziale di Liquefazione IL. In tali aree IL dovrà superare il valore 15. Tuttavia, le perimetrazioni delle ZRLQ dovranno essere verificate mediante ulteriori analisi che confermino l’innesco effettivo della liquefazione nelle ZRLQ. A tale riguardo, LG (2018) recitano: “Sulle verticali delle indagini e delle analisi presenti all’interno della ZRLQ sarà necessario applicare una delle metodologie di analisi dinamica di suscettibilità alla liquefazione: (1) analisi dinamica semplificata in termini di tensioni totali o efficaci; (2) analisi dinamica avanzata.”

L’azienda Stacec s.r.l. e ed il Dipartimento di Ingegneria e Geologia dell’Università degli Studi "Gabriele d'Annunzio" di Chieti-Pescara hanno avviato un progetto di ricerca con l’obiettivo di implementare e commercializzare un codice di calcolo per stimare l’incremento delle sovrappressioni interstiziali indotto dal sisma a valle di analisi numeriche di risposta sismica locale.

La stima dell’entità delle pressioni interstiziali come indicatore dell’avvenuta liquefazione potrà essere utilizzata sia a fini di progettazione e mitigazione della pericolosità da liquefazione nelle Zone di Rispetto per instabilità da liquefazione individuate mediante il Potenziale di Liquefazione introdotto nella Microzonazione Sismica di livello 2 (MS 2). 

Tale metodologia fa parte dei metodi di “analisi dinamica semplificata in termini di tensioni totali o efficaci” indicati dalle LG (2018). Il nuovo Codice di Calcolo 1D, LIQUEFAZIONE©, è adesso disponibile per tutti i tecnici coinvolti negli studi di microzonazione sismica.

Di seguito si presenta il metodo di calcolo implementato ed alcune considerazioni sulle prime applicazioni condotte su un caso reale italiano.

Il codice di calcolo “LIQUEFAZIONE^©”

LIQUEFAZIONE^© è un applicativo completamente integrato in LSR2D (anch’esso prodotto e commercializzato da Stacec s.r.l.). Esso consente all’utente di effettuare una stima semplificata dell’incremento delle sovrappressioni interstiziali, attraverso la determinazione della curva CSR (cyclic stress ratio) mediante analisi di risposta sismica locale. Il codice fornisce profili di rapporti di sovrappressione r_u che possono essere confrontati con i profili di Potenziale di Liquefazione LI, comunemente calcolati con i metodi semplificati o di campagna, previsti nelle MS di livello 2. La Figura 1 mostra l’interfaccia dell’applicativo.

Figura 1. Interfaccia principale del software LIQUEFAZIONE^©.

Interoperabilità con LSR2D

L’interoperabilità con il software per le analisi bidimensionali di risposta sismica locale LSR2D avviene attraverso gli oggetti detti “colonna di controllo” definiti all’interno dello stesso applicativo (Figura 2).

In particolare, per ogni colonna di controllo, attraverso la funzione di esportazione dedicata, l’applicativo determina, sulla base della geometria bidimensionale comprendente anche la posizione della falda, dei modelli monodimensionali processabili attraverso il software LIQUEFAZIONE^©. 

Figura 2. Interfaccia del sw LSR2D e funzione di esportazione verso "LIQUEFAZIONE^©".

Le definizioni di tutti gli accelerogrammi e delle analisi associate di risposta sismica locale vengono mantenute nella generazione dei files. 

Metodo implementato nel codice “LIQUEFAZIONE^©”

Il metodo proposto ed implementato all’interno dell’applicativo LIQUEFAZIONE^© consiste nel calcolo, in condizioni free-field, dell’incremento delle pressioni interstiziali indotto dall’evento sismico. La condizione di sicurezza nei confronti della liquefazione viene espressa mediante un coefficiente detto rapporto di sovrappressione interstiziale: 

(1)

dove Δu è l’incremento di sovrappressione interstiziale e σ'_v0 la tensione verticale litostatica. È evidente che valori prossimi all’unità di r_u rappresentano una condizione di totale perdita di resistenza da parte del materiale e dunque il collasso per liquefazione. Tale rapporto di sovrappressione interstiziale r_u varia in funzione della deformazione da taglio γ indotta dal sisma e dal numero di cicli di carico N generalmente normalizzato rispetto al numero di cicli di carico limite N_L, che è il massimo numero di cicli di carico necessario perché un fissato terreno nelle condizioni di sito, arrivi a liquefazione.

Quindi il codice LIQUEFAZIONE^© calcola il rapporto N/N_L lungo la verticale della colonna di studio. Per quanto riguarda il numero di cicli limite N_L questo dipende dalle caratteristiche meccaniche del materiale e dal livello tensionale a cui lo stesso è sottoposto in ogni punto del modello; tale valore viene ottenuto mediante l’uso di curve di resistenza del materiale definite dall’utente ed in funzione del livello di sollecitazione CSR (cyclic stress ratio) determinato dall’analisi di risposta sismica locale mediante la seguente espressione:

(2)

dove  τ_max rappresenta la tensione tangenziale massima durante l’evento sismico.

In Figura 3 viene rappresentato uno schema che riassume come viene determinato N_L lungo la colonna analizzata, i passaggi sono i seguenti:

• è assegnata ad ogni sismostrato, in funzione del tipo di materiale, una curva di resistenza al taglio in grado di fornire il numero di cicli limite N_L in funzione del livello di sollecitazione CSR;
• si calcola la tensione verticale efficace litostatica in funzione della stratigrafia, del peso per unità di volume dei singoli strati e della posizione della falda;
• per ogni accelerogramma in ingresso si esegue un’analisi di risposta sismica locale in tensioni totali con approccio lineare equivalente in modo da determinare la tensione tangenziale massima indotta  τ_max;
• si calcola mediante l’equazione (2) il rapporto di sollecitazione ciclica CSR;
• si entra nelle curve di resistenza dei materiali definite per ogni singolo strato con il valore di CSR e si ottiene il numero di cicli limite N_L.

Una volta ottenuto il numero di cicli limite N_L il rapporto di sovrappressione ciclica r_u si ottiene mediante la determinazione del numero di cicli di carico N corrispondenti ad ogni singolo accelerogramma.

In accordo con la normativa italiana, gli accelerogrammi applicati per un’analisi di risposta sismica locale saranno 7. Ognuno di essi mostra una storia di carico di tipo irregolare, pertanto il numero di cicli di carico che si sta ricercando necessita una conversione dalla storia di carico irregolare ad un numero di cicli di carico che caratterizza la storia equivalente (carichi ciclici armonici). 

Figura 3. Schema monodimensionale per il calcolo del numero di cicli limite NL lungo la verticale in funzione del CSR.

La procedura di conversione utilizzata dall’applicativo LIQUEFAZIONE^© è quella proposta da Biondi et al. (2012) e viene descritta nei prossimi paragrafi.

...CONTINUA.

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Chi è Stacec

La STACEC è un’Azienda che occupa un posto di primo piano nel mercato italiano del software per l’edilizia e, grazie alla qualità dei prodotti e dei servizi offerti, si è guadagnata la fiducia di migliaia di Clienti. I suoi prodotti sono, inoltre, utilizzati da Enti Pubblici, quali ad esempio il Ministero dei Lavori Pubblici (oggi Infrastrutture) – Sez. Antisismica, Geni Civili, Università , Regioni , Istituti Professionali, Enti di ricerca, ecc.

I software sviluppati dalla Stacec affrontano le diverse tematiche dell’ingegneria e della geotecnica, ed in particolar modo il calcolo strutturale con avanzate soluzioni, talvolta sviluppate in collaborazione con le Università.