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ijege-12_02-sano-et-pugliese.pdf

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35
Italian Journal of Engineering Geology and Environment, 2 (2012)
© Sapienza Università Editrice
www.ijege.uniroma1.it
DOI: 10.4408/IJEGE.2012-02.O-03
t
ito
SANO’
(*)
&
a
ntonio
PUGLIESE
(**)
(*)
ENEA-DISP - Professor of the Master “Evaluation Control and Reduction of Environmental Seismic Risk” Sapienza Univesity of Rome - Rome, Italy
(**)
ISPRA - Istituto Superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale - Rome, Italy - Professor of the Master “Evaluation Control and Reduction of Environmen-
tal Seismic Risk” Sapienza Univesity of Rome - Rome, Italy
ACCELEROGRAMMI ARTIfICIALI NELLE ANALISI
DI AMPLIfICAZIONE SISMICA LOCALE
ARTIfICIAL ACCELEROGRAMS
IN LOCAL SEISMIC AMPLIfICATION ANALYSES
RIASSUNTO
In questo rapporto vengono mostrati i risultati di analisi di am-
plificazione sismica per una microzonazione in due casi: nel caso
di utilizzo di più accelerogrammi e in quello di un accelerogramma
artificiale entrambi compatibili con lo stesso spettro di riferimento.
Viene effettuata una analisi parametrica su suoli tipici modificando
sia i parametri meccanici e geometrici sia il livello di accelerazio-
ne. I risultati delle analisi mostrano che esistono solo modeste e
trascurabili differenze rispetto alle incertezze insite in tutti i para-
metri in gioco.
T
ermini
chiavi
: amplificazione sismica locale, microzonazione, accelero-
grammi artificiali, time histories
INTRODUZIONE
La microzonazione sismica ha avuto un forte sviluppo negli ultimi
50 anni in Italia a livello sia di studi sia di applicazione specialmente
dopo gli intensi terremoti recenti a partire da quello dell’Umbria Mar-
che del 1997-98, a quello di San Giuliano di Puglia del 2002 fino a
quello de L’Aquila del 2009. Contemporaneamente si sono sviluppate
linee guida regionali: Lombardia, Emilia Romagna, Lazio (r
egione
l
ombardia
, 2005; a
tto
di
indirizzo
, 2007; b
ollettino
ufficiale
della
r
egione
l
azio
, 2010) ed altre che hanno fornito sia procedure, sia dati
di base. Tra questi vengono fissati sia gli spettri di riferimento su roccia
di base (bedrock) sia degli accelerogrammi naturali con essi compati-
bili e nel contempo viene, più o meno tacitamente, sconsigliato l’uso
di accelerogrammi artificiali. Per altro l’uso di un solo accelerogram-
ma artificiale, invece di più naturali, ridurrebbe il numero di analisi
di amplificazione sismica per la microzonazione, che risultano spesso
gravose nei casi di configurazioni del terreno complesse.
Nella normativa sismica vigente (NTC-08,2008) è prescritto
che per le opere geotecniche siano usati solo accelerogrammi na-
turali, che non sono esclusi per le analisi strutturali, ma non vie-
ne citato esplicitamente il caso di microzonazione sismica. Solo
successivamente nelle istruzioni per l’applicazione delle norme
tecniche (
c
ircolare
2
febbraio
2009,
n
. 617
) si prevede anche per le
analisi di amplificazione sismica l’uso di soli accelerogrammi natu-
rali perché ‘Gli accelerogrammi artificiali spettro-compatibili sono
ABSTRACT
This report compares the results of analyses of seismic amplifica-
tion for microzonation in two cases: the first one refers to the use of
natural accelerograms while the second one to the use of an artificial
accelerogram as bedrock outcropping inputs respectively. Realistic
soil schemes and different levels of peak ground acceleration (PGA)
were considered. The results show only small differences between
the values of amplification such as to be negligible compared to the
inherent uncertainties related to the allset of parameters considered
in the analyses.
K
ey
words
: local seismic amplification, microzonation, artificial accelero-
grams, time histories
INTRODUCTION
The seismic microzonation has had strong growth over the past
50 years in Italy in terms of both studies and applications, especially
after the recent strong earthquakes of the Umbria Marche,1997-98,
San Giuliano di Puglia, 2002, and L’Aquila, 2009. Recently region-
al guidelines have developed: Lombardy, Emilia Romagna, Lazio
(r
egione
l
ombardia
, 2005; a
tto
di
indirizzo
, 2007; b
ollettino
u
fficiale
della
r
egione
l
azio
, 2010) and others, that have provid-
ed both procedures, and basic data useful for seismic microzonation
analysis. Among these, reference spectra on bedrock and natural ac-
celerograms compatible with them are established; at the same time
the use of artificial accelerograms is more or less tacitly discour-
aged. Furthermore the use of a single artificial accelerogram, in-
stead of numerous natural accelerograms, would reduce the number
of seismic amplification analyses that can be very difficult in cases
of complex configurations of the ground. The Italian seismic code
(NTC-08, 2008) requires that only natural accelerogramsshould be
used for ‘geotechnical systems’ but nothing is written explicitly in
the case of seismic microzonation. On the contrary, artificial ones
can be used for structural analysis. Only later in the instructions
for the application of technical standards (
c
ircolare
2
febbraio
2009,
n
. 617
) only natural accelerograms are expected to be used for the
seismic amplification because ‘The artificial spectrum-compatible
accelerograms are characterized by frequency content unrealistic,
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ACCELEROGRAMMI ARTIfICIALI NELLE ANALISI DI AMPLIfICAZIONE SISMICA LOCALE
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T. SANO’ & A. PUGLIESE
since the design response spectra on which they are calibrated is
an envelope of response spectra of a numerous real events. Conse-
quently, the artificial accelerograms are characterized by an unre-
alistically large frequency band. The use of artificial accelerograms
for seismic response analysis can produce simultaneous amplifi-
cation, and therefore not very realistic, of the different vibration
modes of the system, while the real seismic action, characterized by
a low-bandwidth, amplifies a limited number of modes, or at least
only one mode
’.Besides in the ‘Indirizzi e Criteri per la Microzona-
zione Sismica’,guidelines and criteria of National Civil Protection,
(g
ruppo
di
lavoro
, 2008),free choice of the accelerograms is given
in the definition of the reference seismic motion.
The purpose of this paper is to compare, in the analysis of lo-
cal seismic amplification for microzonation, the results obtained
by using, as input, several natural accelerograms compatible with
a response spectrum or a single artificial accelerogram derived from
such spectrum. Of course, the final product in a seismic microzona-
tion is only one, that is, the amplification factor as a mean value in
the case where several natural accelerograms are considered or a
single value in the case where analysis are performed by the use of
a single artificial accelerogram.
METHODOLOGY
The study was developed in three phases. In the first phase, plau-
sible configurations of soil profiles with increasing shear wave ve-
locity from 200 m/s at the surface up to 800 m/s at the contact with
the bedrock have been considered. The following parameters have
been changed: the depth of the bedrock, from 30 to 60 m, the soil
type, sand or clay and the level of the seismic excitation in terms of
PGA. In the second phase, velocity profiles have been changed al-
lowing a constant depth of 30 meters and only one type of soil, ie the
sand. The third phase is identical to the first one, but an exaggerated
level of PGA was considered in order to highlight among all the ef-
fect of the nonlinearity.
We took advantage of the fact that natural accelerograms
have been defined in some regions of Italy, in every municipal-
ity, for the analysis of local seismic amplification, in particular in
Emilia-Romagna and Lazio. We have chosen two municipalities
in Emilia-Romagna and only one in Lazio, have a wide range of
maximum accelerations for the reference ground motions: 0.10,
0.2 and 0.26g.
• At each location response spectra of the natural accelerograms
and their average value were computed,
• An artificial accelerogram compatible with the so-obtained aver-
age spectrum was computed.
• The local seismic response on the surface was valuated both for
the natural accelerograms and for the artificial accelerogram.
Only a 1D code is used, SHAKE91(i
driSS
& S
un
,1992), since
this study has been limited to the response of horizontallystrati-
fied soils. We do not take into account the effects caused by the
infatti caratterizzati da contenuti in frequenza irrealistici, poiché
gli spettri di risposta di progetto su cui essi sono calibrati sono
ottenuti da inviluppi di spettri di risposta di numerosi eventi reali.
Conseguentemente, gli accelerogrammi artificiali sono caratteriz-
zati da una banda di frequenze irrealisticamente ampia. L’uso di
accelerogrammi artificiali in un’analisi di risposta sismica può
produrre un’amplificazione contemporanea, e perciò poco realisti-
ca, dei diversi modi di vibrazione del sistema, mentre un’azione
sismica reale, caratterizzata da una larghezza di banda modesta,
amplifica un limitato numero di modi, o al limite un unico modo
’.
D’altronde negli Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica
della Protezione Civile (g
ruppo
di
lavoro
, 2008) viene data libertà
di scelta nella definizione del moto sismico di riferimento.
Lo scopo di questo lavoro è quello di confrontare, nelle analisi
di amplificazione sismica locale per la microzonazione, i risultati
che si ottengono utilizzando come input più accelerogrammi na-
turali compatibili con uno spettro di risposta di riferimento oppure
un singolo accelerogramma artificiale ottenuto da quest’ultimo. Na-
turalmente il prodotto finale in una microzonazione sismica è uno
solo, cioè il fattore di amplificazione, sia nel primo caso come valor
medio sia nel secondo.
METODOLOGIA
Lo studio si è sviluppato in tre fasi. Nella prima fase sono state
considerate configurazioni di terreno plausibili con profili di velocità
crescente da 200 m/s in superficie fino a 800 m/s a contatto con il
bedrock. Sono stati variati sia la profondità del bedrock, da 30 a 60 m,
sia il materiale: sabbia o argilla, sia il livello di eccitazione sismica in
termini di PGA. Nella seconda fase sono stati variati i profili di veloci-
tà lasciando costante la profondità a 30 m e considerando un solo tipo
di terreno, cioè la sabbia. La terza fase è identica alla seconda, ma è
stato considerato un livello esagerato e quindi fittizio di accelerazione
massima del moto di riferimento in modo da mettere in evidenza l’ef-
fetto della non linearità che risulta essere il parametro più importante.
Si è approfittato del fatto che in alcune Regioni sono stati definiti,
in ogni comune, gli accelerogrammi naturali da utilizzare per le anali-
si di amplificazione sismica locale; in particolare in Emilia-Romagna
e nel Lazio.
Sono state scelte due località in Emilia-Romagna e una nel Lazio,
in modo da avere un ventaglio ampio di accelerazioni massime sul
terreno di riferimento: 0.10 , 0.2 e 0.26 g.
• In ogni località sono stati calcolati gli spettri di risposta degli ac-
celerogrammi naturali e calcolato il loro valor medio.
• Dallo spettro medio è stato calcolato l’accelerogramma artificiale
con esso compatibile.
• È stata calcolata la risposta sismica locale (con SHAKE91) in su-
perficie sia per tutti gli accelerogrammi naturali, sia per l’unico
artificiale. E’ stato usato un programma di calcolo numerico mo-
nodimensionale in uno schema del terreno a strati piani e paralleli,
SHAKE91 (i
driSS
& S
un
, 1992). Non è stato considerato l’effetto
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dell’aumento della pressione interstiziale poiché le linee guida re-
gionali prevedono studi particolari per studiare tale fenomeno.
• È stato calcolato lo spettro medio della risposta agli accelero-
grammi artificiali e lo spettro della risposta all’accelerogramma
artificiale.
• Infine sono stati confrontati i due spettri ed i corrispondenti fattori
di amplificazione.
Dalla regione Emilia-Romagna sono forniti tre accelerogrammi
naturali per ogni sito e per la scelta degli accelerogrammi per le ana-
lisi sono state scelte le città di Castrocaro Terme (PGA=0.209) e Co-
macchio (PGA=0.101g).
Dalla regione Lazio sono forniti cinque accelerogrammi per ogni
sito ed è stata scelta la città di Cittareale (PGA=0.26 g).
GENERAZIONE DI ACCELEROGRAMMI ARTIfICIALI
La tecnica utilizzata per creare degli accelerogrammi artificiali
spettro compatibili è una versione modificata della metodologia pro-
posta da Silva (S
ilva
, 1987). Il vantaggio di questa tecnica consiste
nell’incorporare in modo naturale la non stazionarità, la casualità e la
variazione nel tempo del contenuto in frequenza di accelerogrammi
registrati. Questa caratteristica delle time-histories si ottiene conser-
vando la fase delle registrazioni, in quanto la fase determina come
l’energia si distribuisce nel tempo, e modificandone l’ampiezza in
modo da rendere gli accelerogrammi spettro compatibili. Per tanto
l’ampiezza per ogni frequenza viene definita a partire dallo spettro di
risposta con tecniche iterative.
ANALISI DI AMPLIfICAZIONE SISMICA LOCALE
Per le analisi di amplificazione sismica locale sono stati scelti dei
profili di velocità tipici non potendo, ovviamente, effettuare una ana-
lisi statistica ad ampio raggio.
Nella figura 1 sono riportati i diagrammi delle curve di decadi-
mento dei terreni presi in considerazione, sabbie ed argille. La scelta
è stata dettata dalla volontà di considerare due terreni con evidente
differente comportamento.
pore pressure generation because the regional guidelines have ad-
ditional special analyzes to examine this phenomenon.
• The average response spectrum of output natural accelero-
grams and spectrum of the artificial accelerogram response
were calculated.
• Finally we compared the two spectra and the corresponding am-
plification factors
The Emilia-Romagna region provides three natural accelero-
grams for each site. For the selection of accelerograms for analysis,
CastrocaroTerme (PGA = 0.209) and Comacchio (PGA = 0.101g)
municipalities were selected.
The Lazio region provides five accelerograms for each site and
city of Cittareale (PGA = 0.26 g) was chosen.
GENERATION Of ARTIfICIAL ACCELEROGRAMS
The technique used to create artificial spectrum-compatible
accelerograms is a modified version of the methodology proposed
by Silva (S
ilva
, 1987). The advantage of this technique is to in-
corporate in a natural way the non-stationary, randomness and
variation over time of the frequency content of recorded accelero-
grams. Such feature of time-histories is obtained by keeping the
phase of the recordings, since the phase determines how the en-
ergy is distributed over time, and changing the amplitude to make
the accelerograms compatible a given spectrum. The amplitude
for each frequency is defined starting from the response spectrum
with iterative techniques.
ANALYSIS Of LOCAL SEISMIC AMPLIfICATION
For the analysis of local seismic amplification few soils with typi-
cal velocity profiles were chosen. But we are conscious that a limited
statistical analysis can be enough to get a good idea of the phenom-
enon and reach the aim.
Figure 1 shows the diagrams of the decay curves of the soil types
here considered . The choice was suggested by the will to consider
two soils with evident different material behavior.
Fig. 1 - Curve di decadimento per la sabbia e l’argilla
- Decay curves for clay and sand
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ACCELEROGRAMMI ARTIfICIALI NELLE ANALISI DI AMPLIfICAZIONE SISMICA LOCALE
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T. SANO’ & A. PUGLIESE
Prima fase
Nella figura 2 sono riportati alcuni dei profili considerati nella
prima fase.
Nella figura 3 sono riportati gli spettri di risposta e la loro me-
dia per una accelerazione massima di input di 0.26g (Cittareale). Si
nota la differenza tra gli spettri dei singoli accelerogrammi sia come
ampiezza sia come contenuto di frequenza. Ancor più si evidenza la
differenza con lo spettro medio al quale i singoli fanno riferimento.
Nelle figure successive sono riportati solo i risultati cioè i con-
fronti tra lo spettro medio tra i naturali e lo spettro nel caso di accele-
rogramma artificiale.
Dal confronto tra gli spettri in figura 4
A
e 4
B
risulta la piccola
influenza del tipo di terreno, infatti in tutti e due i casi lo spettro me-
dio è molto simile a quello artificiale. Lo stesso risultato si evidenzia
esaminando direttamente i fattori di amplificazione per la microzona-
zione. Sono stati calcolati sia il fattore FA descritto negli Indirizzi e
Criteri per la Microzonazione Sismica sia il fattore FH sia FN:
FN è il rapporto tra i valori medi degli spetti di accelerazione
negli intervalli di periodo da 0.1 a 0.5 s:
dove i pedici o ed i fanno riferimento ai valori di output ed input degli
spettri di risposta SA.
First phase
In Figure 2 the velocity profiles for the systeme considerd in the
first phase are shown:
Figure 3 shows the response spectra of natural accelerograms and
their mean in Cittareale(maximum acceleration of 0.26g as input).
Note the difference between the spectra of the individual accel-
erograms both in amplitude and frequency content. Also evident is
the difference with the average spectrum to which they refer.
In the other figures only comparisons between the average spec-
trum of natural accelerograms and the spectrum of the single artificial
accelerogram are reported.
The comparison between the spectra in figures 4a and 4b shows
the small influence of soil type, because in both cases the average
spectrum is very similar to the artificial one. The same result is
evident by examining directly the amplification factors for micro-
zonation, i.e FA, FH and FN. FA factor was calculated as described
in the guidelines and criteria for the seismic microzonation, FN is
the ratio between the mean values of the acceleration in the period
range from 0.1 to 0.5 s:
where the subscripts, o and i, refer to the output and input values of
the SA response spectra.
Fig. 2 - Profili di velocità della prima fase
- Velocity profiles for the systems considered
in the first phase
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Fig. 3 - Spettri di risposta degli accele-
rogrammi in superficie e loro
media nel caso di PGA=0.26g
- Response spectra of natural
accelerograms and their mean
in case PGA=0.26g
Fig. 4 - Risultati dei quattro casi sella fase1
- Results of the four cases of Phase 1
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ACCELEROGRAMMI ARTIfICIALI NELLE ANALISI DI AMPLIfICAZIONE SISMICA LOCALE
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T. SANO’ & A. PUGLIESE
Lo stesso rapporto vale anche nel caso di FH: rapporto di Hou-
sner, purchè si cambi lo spettro di accelerazione SA con quello di
pseudovelocità SV. Nel seguito saranno mostrati solo i fattori FN per-
ché i risultati non cambiano sostanzialmente per gli altri.
I fattori sono riportati nella figura 5 per tutti i quattro casi della
figura 2.
Come si vede in tutti i casi la differenza è minore del 2.5% che
è, a sua volta, minore della massima differenza dei fattori di ampli-
ficazione dei singoli spettri di risposta naturali ed il loro valore me-
dio, cioè il 10.3%. E’ da notarsi inoltre che passando da un terreno
sabbioso a uno argilloso la variazione sia in valore assoluto sia in
percentuale non è apprezzabile.
Lo stesso risultato si ottiene anche per gli altri due livelli di
eccitazione sismica:Castrocaro Terme(PGA=0.209) e Comacchio
(PGA=0.101g). Nella tabella seguente sono confrontati i valori di
amplificazione sismica nei due casi a confronto: tra la media di più
accelerogrammi naturali ed uno artificiale. La massima differenza ri-
sulta essere inferiore al 5%.
I valori FN-1,FN-2,FN-3,FN-4 fanno riferimento ai quattro profi-
li di velocità mentre 1,2,3 fanno riferimento ai tre livelli di accelera-
zione rispettivamente 0.26, 0.2, 0.1 g.
Seconda fase
Nella seconda fase è stato considerato il solo livello di accele-
razione massimo, cioè 0.26g, la profondità del bedrock pari a 30 m,
The same ratio also applies in the case of FH, Housner ratio, as
long as you change the spectrum of acceleration,SA, with that
of pseudovelocity SV. In the following only the FN factor will
be shown because the results do not change substantially each
other’s.
The factors are shown in Figure 5 for all four cases of Figure 2.
As can be seen in all cases the difference is less than 2.5%
which is, in turn, less than the maximum difference of amplification
factors of the individual natural response spectra and their average
value, ie 10.3%. It is also to be noted that passing from a sandy
soil in a clay soil the variation in both absolute terms and in per-
centage is not appreciable.The same result is obtained for the other
two levels of seismic excitation CastrocaroTerme (PGA = 0209) and
Comacchio (PGA = 0.101g). The following table compares the val-
ues of seismic amplification in the two cases in comparison between
the average of the most natural and an artificial accelerograms. The
maximum difference is less than 5%.
The valuesFN-1,FN-2,FN-3,FN-4referto the fourvelocity
profilesand1,2,3referto the threelevelsof acceleration, respectively
0.26,0.2,0.1g.
Second phase
In the second phase the following parameters were kept constant:
the maximum level of acceleration, ie 0.26g, the depth of the bedrock
Fig. 5 - Fattori di amplificazione FN per tutti
i casi della figura 2
- FN amplification factors for all cas-
es in Figure 2
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un terreno sabbioso ed un bedrock con Vs=800 m/s, mentre è stato
variato il profilo di velocità nei 30m. Tale scelta deriva dai risultati
della prima fase nella quale la massima differenza si ottiene nella
condizione di massima non linearità. Sono state considerate quattro
condizioni:
Profilo costante con una velocità pari a 350 m/s,
Profilo con il gradiente minimo con Vs crescente da 300 a 400 m/s,
Profilo con il gradiente medio con Vs crescente da 250 a 450 m/s,
Profilo con il gradiente maggiore con Vs crescente da 200 a 500 m/s.
I risultati sono sintetizzati sia nelle figure seguenti sia nella tabel-
la successiva.
Al crescere del gradiente diminuisce la differenza tra gli spettri
specialmente nell’intorno del periodo proprio del terreno. Ciò è mol-
to evidente nella fig. 6A corrispondente ad un profilo costante per il
quale la nonlinearità è concentrata alla base della colonna di terreno.
Lo si può notare anche nella tabella II seguente dove sono mostrati i
fattori di amplificazione e la loro differenza:
of 30 m, a sandy soil and a bedrock having a Vs = 800 m/s. The veloc-
ity profile was changed in the 30m soil depth. Such choose derives
from the results of the first phase in which the maximum difference is
obtained in condition of maximum non-linearity.
Four conditions were considered:
Constant profile with a velocity of 350 m / s,
Profile with a minimum gradient with Vs increasing from 300 to 400 m/s,
Profile with an average gradient with Vs increasing from 250 to 450 m/s
Profile with a major gradient with increasing Vs from 200 to 500 m/s
The resultsare summarizedin the following figuresand in the next
table
The difference between the spectra decreases with increasing the
gradient, especially in the period range near the natural period of the
ground. This is quite evident in figure 6A that corresponds to a con-
stant profile for which the nonlinearity is concentrated at the base of
the soil column. It can also be seen in Table II where the amplification
factors and their difference are shown:
Fig. 6 - Risultti dei quattro casi della fase 2
- Results of the four cases of Phase 2
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ACCELEROGRAMMI ARTIfICIALI NELLE ANALISI DI AMPLIfICAZIONE SISMICA LOCALE
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Si vede che passando dal profilo costante fino al gradiente mas-
simo la differenza diminuisce dal 9.5 al 1.34% ma la differenza in
assoluto si mantiene al di sotto di 0.13. I fattori FN nel caso di acce-
lerogrammi artificiali sono sempre i maggiori.
Terza fase
Si è passati fittiziamente da un livello di massima accelera-
zione di 0.26g a 0.4g applicando un fattore moltiplicativo all’in-
put usato nella seconda fase allo scopo di evidenziare l’effetto di
non linearità. Si è agito sulle configurazioni della seconda fase
perché per esse si sono rilevate le maggiori differenze tra i ri-
sultati. Nella tabella III sono riportati sinteticamente i valori di
attenuazione FN calcolati.
Come si vede che anche in questo caso la differenza è inferiore
al 10% escluso nel caso, che deve essere considerato estremamente
raro sia per il livello di accelerazione sia per il profilo di velocità, in
cui arriva al 14%. In quasi tutti i casi l’uso di accelerogrammi artifi-
ciali porta a risultati prudenziali. Va ancora detto che i valori assoluti
dell’amplificazione sono a loro volta più bassi del caso precedente per
effetto della maggiore non linearità
Le differenze ottenute nelle tre fasi delle analisi vanno conside-
rate nell’ambito delle incertezze insite nelle analisi di amplificazioni
sismiche locali.
Nella figura 7 sono diagrammati i fattori di amplificazione FN
risultanti dalle analisi effettuate per ag=0.26g in tutti gli 8 casi, 4
nella prima fase e 4 nella seconda. Sono paragonati i valori medi
con quelli delle analisi con accelerogrammi artificiali. E’ evidente
che le differenze tra i valori medi e quelli da accelerogrammi arti-
ficiali sono piccole rispetto a quelle tra i singoli risultati. Inoltre, è
da considerare le incertezze sul moto di riferimento per le analisi.
Infatti, come anche sottolineato nella normativa, non sono sempre
disponibili informazioni dettagliate sui meccanismi di sorgente
nonché sulla magnitudo e la distanza determinanti lo spettro di sito
nell’intervallo di periodi di interesse.
Vanno prese in considerazione ancora, ed essenzialmente, le in-
certezze nelle caratteristiche meccaniche e geometriche dei terreni
nel singolo sito: la profondità del bedrock, il profilo di velocità e le
We can see that going from constant profile to the maximum gra-
dient the difference decreases from 9.5 to 1.34% but the absolute dif-
ference remains below 0.13. TheFNfactorsin the case ofartificialac-
celerogramsare alwaysthe highest.
Third phase
We have fictitiously changed the level of peak acceleration from
0.26g to 0.4g, applying a multiplication factor to the input used in
the second phase, in order to highlight the effect of nonlinearity. We
considered only the configurations of the second stage because for
those we got the major differences between the results. In table III
the calculated values of attenuation FN for both the mean of natural
accelerograms and the only one artificial are summarized.
As can be seen, even in this case, the difference is less than 10%
excluded in the case, which must be considered extremely rare for
both the level of acceleration and the velocity profile, in which 14%
is reached. In almost all cases the use of artificial accelerograms leads
to conservative results. It should also be said that the absolute values
of the amplification are also lower than the previous phase due to
higher non-linearity
The differences obtained in the three phases of analysis should be
considered in the context of the uncertainties inherent in the analysis
of local seismic amplifications. In figure 7 the amplification factors
are plotted. It is the result of the FN values in the analyses for ag =
0.26g in all 8 cases, 4 in the first phase and 4 in the second. The mean
values are compared with those of the analysis with artificial accel-
erograms. It is clear that the differences between the mean values and
those of artificial accelerograms are small compared to those among
the individual results.
Moreover, one should consider the uncertainties on the reference
motions. In fact, as pointed out in the national seismic code,detailed
informationare not always available on seismic source mechanisms
and the magnitude and distance that are determinant for the response
spectrum definition in the range of periods of interest.
Consideration should be given more, and essentially, on un-
certainties in the mechanical and geometrical characteristics of the
soils in each site, i.e the depth of the bedrock, the velocity profile
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curve di decadimento, che sono sicuramente più grandi di quelle evi-
denziate dai confronti effettuati in questo rapporto.
EffETTO DEL METODO DI GENERAZIONE DEGLI
ACCELEROGRAMMI ARTIfICIALI
Si è cercato di indagare sull’influenza del metodo di generazio-
ne di accelerogrammi artificiali a partire da uno spettro di risposta.
Oltre a quello usato (S
ilva
1987) implementato nel codice numerico
MODTH, sono state prese in considerazione due altri metodi: quello
del codice SIMQKE (g
aSperini
& v
anmarke
, 1976) e DECO messo
a punto dagli autori. Il primo ricava per iterazione dallo spettro di
risposta una densità di potenza nell’ipotesi che l’evento sismico fac-
cia parte di un processo stocastico stazionario. Si definisce quindi
la storia temporale come somma di funzioni sinusoidali con fase
random e l’ampiezza di ognuna è modificata, mediante iterazione in
modo da essere compatibile con la densità di potenza e quindi con lo
spettro di risposta, target, assegnato. Il secondo parte direttamente
da una storia temporale formata da una somma di funzioni sinu-
soidali con fase random e ne modifica l’ampiezza iterativamente
finchè il suo spettro di risposta non sia sufficientemente coincidente
con il target. La differenza tra i due metodi e quello MODTH è che
quest’ultimo non impone delle fasi random, ma conserva la distri-
buzione delle fasi di un accelerogramma registrato. Quest’ultimo
deve essere compatibile con la sismicità del sito e pertanto deve
essere scelto, tra gli accelerogrammi registrati, con gli stessi criteri
usati dalle linee guida regionali.
Nella figura 8 sono mostrati i tre accelerogrammi generati con
i tre metodi descritti e compatibili con lo spettro medio degli acce-
lerogrammi naturali di Cittareale: ag=0.26g. Come già accennato
quello generato con MODTH ed utilizzato nelle analisi precedenti ha
l’aspetto più prossimo ad un accelerogramma registrato.
and the decay curves, which are certainly larger than differences
described in thisreport.
EffECT Of THE GENERATION METHOD Of ARTI-
fICIAL ACCELEROGRAMS
An attempt was made to investigate the influence of the method
of generating artificial accelerograms from a response spectrum. In
addition to the one used (S
ilva
, 1987) implemented in the numeri-
cal code MODTH, were taken into account two other methods: the
code SIMQKE (g
aSperini
& v
anmarke
, 1976) and DECO devel-
oped by the authors. The first one obtains, by iteration, from the
response spectrum a power density assuming that the seismic event
is part of a stationary stochastic process. The time history is then
constructed as a sum of sinusoidal functions with random phase
and amplitude of each sinusoid is modified by iteration in order
to be compatible with the power density and therefore with the
assigned response spectrum. The second one directly generates a
time history as a sum of sinusoidal functions with random phase
and amplitude that is changed iteratively until the relatedresponse
spectrum is sufficiently coincident with the target one. The differ-
ence between the last two methods and MODTH method is that the
latter does not impose a random phase, but preserves the distribu-
tion of the phases of a recorded time history. In this way it is closer
to a natural accelerogram.In fact, it must be compatible with the
seismicity of the site, that means that it must be chosen from among
the recorded accelerograms with the same criteria used by the re-
gional guidelines. Figure 8 shows three accelerograms generated
by the three methods described. They are compatible with the aver-
age spectrum of natural accelerograms Cittareale: PGA = 0.26g.
As already mentioned the MODTH generated and used in previous
analysis looks closer to a recorded accelerogram.
Fig. 7 - Confronto tra i risultati per ag=0.26g
per tutti i casi esaminati nella prima e
seconda fase (1,2,3,4 riguardano la pri-
ma e 5,6,7,8 la seconda fase)
- Comparison between the results for ag
= 0.26g for all the cases examined in the
first and second phase, (1,2,3,4 concern
the first and 5,6,7,8 the second phase)
background image
ACCELEROGRAMMI ARTIfICIALI NELLE ANALISI DI AMPLIfICAZIONE SISMICA LOCALE
44
T. SANO’ & A. PUGLIESE
Fig. 9 - Spettri degli accelerogrammi a confronto
- Spectra of artificial accelerograms compared with the target spectrum
Fig. 8 - Accelerogrammi artificiali generati contre diversi metodi
- Artificial accelerograms generated with different methods
background image
ARTIfICIAL ACCELEROGRAMS IN LOCAL SEISMIC AMPLIfICATION ANALYSES
45
Italian Journal of Engineering Geology and Environment, 2 (2012)
© Sapienza Università Editrice
www.ijege.uniroma1.it
As shown in Figure 9, the response spectra of artificial accel-
erograms are close, less than insignificant differences, to the target
spectrum. The analyses of phase 2, that is, changing only the ve-
locity profile, have been redone with new artificial accelerograms.
Only phase 2 was retested because it has shown major differences
between results of natural and artificial input. Figure 10 summa-
rizes the results in the form of amplification factors. As you can see
there is no appreciable difference.
CONCLUDING REMARKS
Local seismic amplification analysis have been made to calculate
the amplification factors of a possible seismic microzonation with the
aim to investigate the difference between the use of multiple natural
accelerograms and the artificial one that is compatible with the same
reference response spectrum. The survey took into account plausible
situations both in the mechanical and geometrical characteristics of
the soil and levels of seismic excitation, except for nonlinear effects
pore pressure phenomena. It is shown that the difference in the re-
sults, that is, between the mean of the results of several natural accel-
erograms and the only artificial, is extremely small compared to both
variations of the input motion and the uncertainties inherent in the
characterization of mechanical and geometrical properties in a single
area, also if defined homogeneous. This is also true in the case of
strong discontinuities between the soil layers, where the non-linearity
reach its maximum value.
Come è mostrato nella figura 9, gli spettri di risposta sono pros-
simi, a meno di insignificanti differenze dallo spettro target. Le ana-
lisi della fase 2, cioè variando solo il profilo di velocità, sono state
rifatte con i nuovi accelerogrammi artificiali. E’ stata rianalizzata
solo la fase 2 perché è quella che ha mostrato maggiori differenze
tra naturali ed artificiale. Nella figura 10 sono sintetizzati i risultati
nella forma di fattori di amplificazione. Come si vede non esiste una
differenza sensibile tra i risultati.
CONCLUSIONI
Sono state fatte delle analisi di amplificazione sismica locale per il
calcolo dei fattori di amplificazione di una eventuale microzonazione
sismica con lo scopo di indagare sulla differenza tra l’utilizzo di più
accelerogrammi naturali oppure di uno solo artificiale che siano compa-
tibili con lo stesso spettro di risposta di riferimento. L’indagine ha preso
in considerazione situazioni plausibili sia per quanto riguarda le carat-
teristiche meccaniche e geometriche dei terreni sia per i livelli di eccita-
zione sismica, escluso il caso fittizio e dimostrativo della terza fase, ma
non è stato preso in considerazione il fenomeno dell’aumento della pres-
sione interstiziale. Dai risultati risulta che le differenza dei risultati, cioè
tra il valor medio dei risultati con gli accelerogrammi naturali e quello
artificiale, è estremamente ridotto rispetto sia alle variazioni del moto
di input sia alle incertezze insite nella caratterizzazione delle proprietà
meccaniche e geometriche nella singola area, per quanto definita omo-
genea. Quanto detto è ancora vero anche nei casi di forti discontinuità
tra gli strati di terreno dove la non linearità raggiunge il valore massimo.
Fig. 10 - Confronto dei valori dei fattori di amplificazione
- Comparison of the values ofamplification factors
background image
ACCELEROGRAMMI ARTIfICIALI NELLE ANALISI DI AMPLIfICAZIONE SISMICA LOCALE
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T. SANO’ & A. PUGLIESE
OPERE CITATE / REfERENCES
Atto di indirizzo e coordinamento tecnico ai sensi dell’art. 16, comma 1, della L.R. 20/2000 “Disciplina generale sulla tutela e l’uso del territorio”, in merito a
Indirizzi per gli studi di microzonazione sismica in Emilia-Romagna per la pianificazione territoriale e urbanistica”, (10 gennaio 2007).
Bollettino Ufficiale della Regione Lazio n.48 del 28 divembre 2010
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Received February 2012 - Accepted October 2012
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