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ANALISI DEL COMPORTAMENTO DINAMICO DI PIASTRE PIROCLASTICHE IN PRESENZA DI CAVITÀ
Full text linkLa valutazione del rischio sismico deve essere frequentemente eseguita in contesti urbani complessi di antica origine. In questi casi alle difficoltà legate alla caratterizzazione del comportamento dinamico delle strutture, si affianca la necessità di considerare le particolarità del substrato sul quale si è sviluppato il tessuto urbano. Le molteplici necessità ed attività connesse allo sviluppo dei centri abitati hanno selezionato e modificato, nel corso dei secoli, condizioni geotecniche e morfologiche del tutto particolari, tra le quali assumono grande importanza l’irregolarità della superficie topografica e la presenza di cavità. In casi piuttosto diffusi nei distretti vulcanici dell’Italia centrale, tali fattori, grazie anche allo specifico contesto geomeccanico, sono compresenti con caratteri di particolare rilevanza: infatti i centri abitati si sono sviluppati, con propositi di difesa, in cima a colli, altopiani o ammassi litoidi dai margini sub-verticali, formati da materiali piroclastici di consistenza elevata ed interessati da estese reti di cavità di origine antropica, usate come cave o depositi.
Se l’influenza della topografia sulla risposta sismica di sito è già da tempo oggetto di ricerche di carattere teorico ed applicativo, l’effetto delle cavità risulta meno indagato. Lo studio condotto per la redazione della presenti Tesi inizia pertanto con un richiamo delle leggi fisiche fondamentali che regolano la propagazione e l’interazione con la superficie di onde di volume elastiche. Dal momento che gli studi teorici sulla risposta sismica locale in presenza di anomalie morfologiche del semispazio, interne o superficiali, evidenziano l’importanza dell’incidenza inclinata del fronte d’onda, sono stati particolarmente approfonditi i fenomeni e le formulazioni matematiche associate a tale configurazione. Inoltre, dovendo utilizzare tecniche di analisi numerica per le valutazioni di risposta sismica in presenza di cavità, si è ritenuto opportuno mettere a punto un metodo, fondato dal punto di vista meccanico, anche se limitato da alcune ipotesi di base, che consenta la riproduzione di fronti d’onda inclinati incidenti sul contorno di un modello numerico.
Per individuare i principali fenomeni dinamici legati alla presenza dei vuoti sotterranei, nonché i caratteri del moto ottenuto in superficie, è stata quindi eseguita una serie di analisi di tipo parametrico su un modello numerico bidimensionale semplificato, costituito da una cavità cilindrica a sezione circolare in un mezzo elastico lineare. La significatività e l’importanza dei risultati teorici e numerici ottenuti sono state quindi verificate mediante l’applicazione numerica ad un caso reale, quello del Colle di Orvieto. La condizione geotecnica del caso prescelto è, nonostante la sua peculiarità, dotata di una certa emblematicità, rappresentando, come già accennato, i numerosi casi di centri abitati disposti su piastre a consistenza litoide, di origine vulcanica ed interessati da cavità.
Lo studio ha quindi previsto una caratterizzazione del materiale che, tra quelli che costituiscono la piastra piroclastica, più frequentemente ospita cavità: la Pozzolana debolmente cementata. Essa è stata caratterizzata mediante prove di laboratorio in campo ciclico (con prove di taglio semplice e di taglio torsionale) e dinamico (con prove di colonna risonante e misure della velocità di propagazione delle onde). Sono state svolte quindi analisi numeriche bidimensionali della risposta sismica del Colle di Orvieto sia in assenza di cavità, sia in loro presenza. Nelle analisi vengono tenuti in conto i principali fattori influenti sulla risposta sismica locale: la successione stratigrafica ed i rapporti di impedenza tra i vari materiali, la conformazione morfologica e la presenza di cavità in prossimità della superficie della piastra piroclastica. Le analisi, realizzate senza l’intento di determinare la pericolosità sismica locale del Colle, sono state condotte utilizzando un accelerogramma rappresentativo dei più grandi terremoti storicamente osservati in situ.
L’intero impianto della Tesi è incentrato su un classico problema di risposta di sito: l’oggetto della ricerca è pertanto rappresentato dal moto ottenuto in superficie in occasione di un sisma, e dalle sue caratteristiche peculiari legate alla presenza di cavità, in associazione ad altre condizioni geotecniche e morfologiche. Ipotesi fondamentale assunta nel corso della ricerca è quello di mantenimento delle condizioni elastiche del terreno o della roccia al contorno delle cavità. Sono pertanto escluse dallo studio le problematiche relative allo sviluppo di intense plasticizzazioni, con alterazione delle condizioni di stabilità delle cavità durante il sisma, e le loro ripercussioni in superficie
Caratteristiche dinamiche e di compressibilità di una pozzolana debolmente cementata alla scala del laboratorio
No full textAnalisi del comportamento dinamico di piastre piroclastiche in presenza di cavità
Full text linkLa valutazione del rischio sismico deve essere frequentemente eseguita in contesti urbani complessi di antica origine. In questi casi alle difficoltà legate alla caratterizzazione del comportamento dinamico delle strutture, si affianca la necessità di considerare le particolarità del substrato sul quale si è sviluppato il tessuto urbano. Le molteplici necessità ed attività connesse allo sviluppo dei centri abitati hanno selezionato e modificato, nel corso dei secoli, condizioni geotecniche e morfologiche del tutto particolari, tra le quali assumono grande importanza l’irregolarità della superficie topografica e la presenza di cavità. In casi piuttosto diffusi nei distretti vulcanici dell’Italia centrale, tali fattori, grazie anche allo specifico contesto geomeccanico, sono compresenti con caratteri di particolare rilevanza: infatti i centri abitati si sono sviluppati, con propositi di difesa, in cima a colli, altopiani o ammassi litoidi dai margini sub-verticali, formati da materiali piroclastici di consistenza elevata ed interessati da estese reti di cavità di origine antropica, usate come cave o depositi.
Se l’influenza della topografia sulla risposta sismica di sito è già da tempo oggetto di ricerche di carattere teorico ed applicativo, l’effetto delle cavità risulta meno indagato. Lo studio condotto per la redazione della presenti Tesi inizia pertanto con un richiamo delle leggi fisiche fondamentali che regolano la propagazione e l’interazione con la superficie di onde di volume elastiche. Dal momento che gli studi teorici sulla risposta sismica locale in presenza di anomalie morfologiche del semispazio, interne o superficiali, evidenziano l’importanza dell’incidenza inclinata del fronte d’onda, sono stati particolarmente approfonditi i fenomeni e le formulazioni matematiche associate a tale configurazione. Inoltre, dovendo utilizzare tecniche di analisi numerica per le valutazioni di risposta sismica in presenza di cavità, si è ritenuto opportuno mettere a punto un metodo, fondato dal punto di vista meccanico, anche se limitato da alcune ipotesi di base, che consenta la riproduzione di fronti d’onda inclinati incidenti sul contorno di un modello numerico.
Per individuare i principali fenomeni dinamici legati alla presenza dei vuoti sotterranei, nonché i caratteri del moto ottenuto in superficie, è stata quindi eseguita una serie di analisi di tipo parametrico su un modello numerico bidimensionale semplificato, costituito da una cavità cilindrica a sezione circolare in un mezzo elastico lineare. La significatività e l’importanza dei risultati teorici e numerici ottenuti sono state quindi verificate mediante l’applicazione numerica ad un caso reale, quello del Colle di Orvieto. La condizione geotecnica del caso prescelto è, nonostante la sua peculiarità, dotata di una certa emblematicità, rappresentando, come già accennato, i numerosi casi di centri abitati disposti su piastre a consistenza litoide, di origine vulcanica ed interessati da cavità.
Lo studio ha quindi previsto una caratterizzazione del materiale che, tra quelli che costituiscono la piastra piroclastica, più frequentemente ospita cavità: la Pozzolana debolmente cementata. Essa è stata caratterizzata mediante prove di laboratorio in campo ciclico (con prove di taglio semplice e di taglio torsionale) e dinamico (con prove di colonna risonante e misure della velocità di propagazione delle onde). Sono state svolte quindi analisi numeriche bidimensionali della risposta sismica del Colle di Orvieto sia in assenza di cavità, sia in loro presenza. Nelle analisi vengono tenuti in conto i principali fattori influenti sulla risposta sismica locale: la successione stratigrafica ed i rapporti di impedenza tra i vari materiali, la conformazione morfologica e la presenza di cavità in prossimità della superficie della piastra piroclastica. Le analisi, realizzate senza l’intento di determinare la pericolosità sismica locale del Colle, sono state condotte utilizzando un accelerogramma rappresentativo dei più grandi terremoti storicamente osservati in situ.
L’intero impianto della Tesi è incentrato su un classico problema di risposta di sito: l’oggetto della ricerca è pertanto rappresentato dal moto ottenuto in superficie in occasione di un sisma, e dalle sue caratteristiche peculiari legate alla presenza di cavità, in associazione ad altre condizioni geotecniche e morfologiche. Ipotesi fondamentale assunta nel corso della ricerca è quello di mantenimento delle condizioni elastiche del terreno o della roccia al contorno delle cavità. Sono pertanto escluse dallo studio le problematiche relative allo sviluppo di intense plasticizzazioni, con alterazione delle condizioni di stabilità delle cavità durante il sisma, e le loro ripercussioni in superficie
Effetti dell’intrusione superficiale del magma sulla stabilità della Sciara del Fuoco (Stromboli)
No full textMechanical properties of a weak pyroclastic rock and their relationship with microstructure
No full textThe geotechnical behaviour of very weak pyroclastic rocks controls both the failure mechanisms at the margins of rock mesas, where historic hill towns are often sited, as well as the stability of old underground cavities, in urban areas of Central Italy. The study focuses on the mechanical behaviour of one of the pyroclastic materials forming the Orvieto mesa (pozzolana), not unlike other pozzolanas in Central and Southern Italy and other pyroclastites from volcanic districts worldwide. The mechanical properties under static conditions of this weakly cemented rock are reported. A petrographic and physical characterization of the material was preliminary conducted, followed by a wide range of mechanical tests: oedometer, uniaxial and isotropic compression tests and indirect tensile tests. The stress-strain and strength behaviours of the pozzolana are highlighted and compared to those of the lithic facies of the pyroclastic formation (tuff). The mechanical behaviour of the pozzolana is related to its physical and textural characters, with special reference to continuity of the groundmass and porosity. Finally the role of the material behaviour at the field scale is discussed
Relazione tra parametri di resistenza in condizioni di carico monoassiale di rocce effusive porose
No full textLa relazione tra porosità e resistenza in condizioni di carico monoassiale per una categoria di rocce effusive, caratterizzate da una matrice afanitica con diffusi macropori, presenta caratteri specifici. Nella nota sono presentati dati di resistenza da prove di compressione uniassiale, carico puntuale e trazione indiretta (Brasiliane) condotte dagli autori e desunte dalla letteratura per un ampio intervallo di porosità dei materiali. I risultati indicano che i rapporti tra la resistenza a compressione uniassiale, σf, e l’indice di resistenza a carichi puntuali IS50, oltre che tra σf e la resistenza a trazione indiretta σt, diminuiscono all’aumentare della porosità, discostandosi in maniera significativa da quelli suggeriti dalle raccomandazioni ISRM (1985). La relazione tra il rapporto σt / IS50 e la porosità risulta invece pressoché assente. Questi risultati suggeriscono che la macroporosità influenza in maniera differente i due modi di rottura, per taglio o trazione, tipici rispettivamente delle prove di compressione uniassiale e trazione indiretta/carico puntuale
Effects of cavities on seismic ground motion
No full textWithin the studies about the topographical and morphological effects on the earthquake ground motion,
the interest is growing whether the motion could be locally influenced by the presence of natural and
anthropic cavities. To this aim analytical models and 2D numerical analyses suggest that amplifying
effects on the horizontal component are expected above the flanks of the cavities while attenuation effects
are expected in the zones overshadowed by the cavities. The paper illustrates the results of a set of 2D
numerical analyses performed with the FLAC code to investigate the importance of the main factors
involved in the diffraction of seismic waves by a cavity: size and embedment depth, prevalent wavelength
of the incident motion and incident angle. Some simplified amplification/deamplification charts have been
obtained in terms of adimensional parameters in frequency domain that can be used for engineering
application
Cyclic and dynamic behaviour of a soft pyroclastic rock
No full textThe mechanical behaviour under cyclic and dynamic conditions of a weakly cemented pozzolana, taken from the subsoil of a historical town lying in a seismically active area, was investigated through laboratory tests and in-situ measurements. The interest for these soft pyroclastic rocks, widespread in many volcanic regions worldwide, is noticeable because they are often found alternated to stronger volcanic rocks in thick sequences, thus giving a significant impedance contrast that could increase the ground-shaking hazard. A cross-hole (CH) test and a spectral analysis of superficial waves (SASW) test, carried out from the ground surface and in the floor of a cavity respectively, provided in situ vertical profiles of the shear waves velocity. Cyclic and dynamic properties were investigated in the laboratory through velocity measurements of ultrasonic pulses (UPV), cyclic simple shear (DSDSS), torsional shear (TS) and resonant column (RC) tests. Most testing procedures and devices, originally conceived for soils, posed some challenges. The collected data allowed the analysis of the influence that mean confining stress, strain amplitude and number of cycles have on both shear stiffness and material damping. The exhaustive geotechnical characterization at the laboratory scale has an augmented importance because in these deposits the small- and large-scale behaviour are comparable due to the large discontinuity spacing
Modelling the instability phenomena on the NW flank of Stromboli Volcano (Italy) due to lateral dyke intrusion
No full textThe aim of the paper is to provide quantitative elements on the mechanisms that controlled the slope instabilities occurred after two major recent eruptions at Stromboli volcano (i.e. 2002–2003 and 2007). After a brief description of the geological setting and of the largest well documented instability phenomena on volcano flanks, the main objective is pursued using three-dimensional stress-strain analyses for modelling the effects of the magma intrusion on the stability of the volcano flank. Modelling is based on the results of an extensive geotechnical characterization of the volcaniclastic and lava materials. The numerical analyses investigate the influence of different paths and geometry of magma intrusion as well as the spatial variation of mechanical properties. As a result, favourable conditions for specific failure modes are identified. The stress-strain analyses show that magma intrusion can cause both a local failure of a wedge immediately downslope from the dyke or deep-seated movement involving large part of the slope; these two mechanisms were consistent with the deformative patterns observed during the 2007 and 2002–2003 eruptions, respectively. The magma thrust induces shear strains up to levels associated to appreciable grain crushing even below the sea level, where flow liquefaction can be invoked to explain the occurrence of past submarine slides. The submarine landslide is analysed by a combined finite element – limit equilibrium approach that demonstrates that instability conditions can develop if the loading exerted by the upper portion of the slope is sufficiently fast to produce undrained conditions. The analyses also support the hypothesis that at the 2002 subaerial failure occurred, due to combined effects of a magma mild thrust and the removal of the toe support caused by the preceding submarine slide
Strength behaviour in monoaxial loading conditions in effusive rocks: the influence of porosity
No full textRelations between strength index properties from monoaxial tests (uniaxial compression, point load and indirect tensile tests) are extensively used in engineering practice and are object of suggestions by ISRM (1985). The results of an extensive test campaign, that investigated strength and static/dynamic deformability of effusive volcanic rocks under monoaxial loading conditions are presented. The tested lithotypes span a wide range of porosity (n = 1 - 50 %) and consist of an aphanitic groundmass with interspersed macropores and rare minute phenocrysts. The microstructure was observed through optical microscopy, scanning electron microscopy and 3D computed tomography images. The analysis of test
results and literature data on similar lithotypes indicate that porosity controls quite strictly both the strength parameters and the ratios between them. The inadequacy of the ratios between point load and uniaxial/tensile strengths proposed in the suggested methods is apparent for n>10%. Some clues on the failure process were highlighted through theoretical and microstructural models in which the strengths obtained from different monoaxial tests are related to porosit
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