Obiettivi Formativi

L'obiettivo del corso di Earthquake Geotechnical Engineering è quello di fornire le conoscenze per valutare la risposta dei terreni naturali e delle opere in terra alle azioni sismiche e gli effetti delle caratteristiche meccaniche dei terreni sulla risposta sismica delle strutture, delle infrastrutture e, in generale, delle opere di ingegneria. Tale obiettivo viene conseguito attraverso la comprensione dei principi di propagazione delle onde sismiche nei terreni, del comportamento dei terreni sottoposti a carichi ciclici e dinamici in relazione al livello deformativo, delle tecniche sperimentali per la determinazione dei parametri meccanici da prove in sito e di laboratorio, dei fenomeni di risposta locale dei terreni alla propagazione di onde sismiche, del fenomeno della liquefazione dei depositi sabbiosi saturi, e delle teorie alla base delle analisi in condizioni sismiche di opere e sistemi geotecnici. Alla fine del corso lo studente sarà in grado di applicare le conoscenze acquisite e la comprensione dei principi fondamentali della disciplina per: a) definire il piano delle indagini in sito e delle prove in laboratorio necessarie per lo studio della risposta sismica locale di un sito; b) interpretare i risultati di prove in sito e di laboratorio; c) eseguire analisi di risposta sismica locale monodimensionale sia con metodi basati sul modello di comportamento lineare equivalente che con metodi di analisi non lineare, utilizzando codici di calcolo specifici, per prevedere le azioni sismiche attese al piano di campagna; d) valutare l’effetto delle azioni sismiche sulle pressioni interstiziali, la suscettibilità alla liquefazione di depositi sabbiosi saturi e le condizioni di sicurezza riguardo alla stabilità nei confronti della liquefazione. Gli elementi di teoria consentiranno allo studente di identificare, formulare e risolvere problemi utilizzando metodi, tecniche e strumenti aggiornati e di uso consolidato. La comprensione degli argomenti è volta a sviluppare la capacità di elaborazione dei concetti con piena autonomia di giudizio ed è supportata dall’apprendimento di un linguaggio tecnico appropriato e rigoroso, utile a presentare i risultati e sostenere argomentazioni teoriche su temi applicativi, con particolare riferimento a quelli finalizzati alla valutazione della vulnerabilità sismica del territorio e delle opere di ingegneria, e a permettere una sicura ed efficace comunicazione sia con interlocutori esperti nella materia che con interlocutori non specialisti e di diversa formazione.

Learning Goals

The aim of the course of Earthquake Geotechnical Engineering is to provide the knowledge to evaluate the response of natural soils and earthworks to seismic actions and the effects of mechanical characteristics of soils on seismic response of structures, infrastructures and, in general, engineering works. This aim is achieved by understanding the principles of seismic wave propagation in soils, the behaviour of soils subjected to cyclic and dynamic loads in relation to the deformation level, experimental techniques for the determination of mechanical properties from in-situ and laboratory tests, site response phenomena to the propagation of seismic waves, liquefaction of saturated sandy deposits, and the basic theories for the analysis of geotechnical systems in seismic conditions. At the end of the course the student will be able to apply the acquired knowledge and the understanding of the basic principles of the discipline to: a) define the plan of in-situ investigations and laboratory tests necessary for the study of the seismic response of a site; b) interpret the results of in-situ and laboratory tests; c) perform one-dimensional equivalent-linear and non-linear seismic response analysis, using specific computer codes, to predict the seismic actions expected at the ground surface in the free field conditions; d) assess the effect of seismic actions on pore water pressures, the susceptibility to liquefaction of saturated sandy deposits and the safety conditions with regard to liquefaction stability. Elements of theory will allow the student to identify, formulate and solve problems using robust up-to-date methods, techniques and tools. The understanding of the topics is aimed at developing the ability to process concepts with complete autonomy of judgment and is supported by the learning of an appropriate and rigorous technical language, useful to present the results and to support theoretical arguments on practical issues of Engineering, with emphasis for those problems relevant in the evaluation of seismic vulnerability of land and structures, and aimed also at allowing an effective communication both with interlocutors experienced in the field of soil dynamics and earthquake geotechnical engineering and with interlocutors not specialized in this field having a different education background.

Metodi didattici

Il corso prevede un impegno in aula di 36 ore e viene erogato mediante lezioni frontali in cui gli argomenti di teoria vengono chiariti anche mediante la presentazione di casi di studio. Le lezioni sono svolte alla lavagna e con la proiezione di slides.

Teaching Methods

The course consists of 36 hours of classroom activities and is delivered through lectures during which theory topics are illustrated through case-histories. Lessons are given at the blackboard and also by slides projection.

Prerequisiti

Conoscenze di base di Geologia e Sismologia (Struttura della Terra, onde sismiche e tettonica a placche; Terremoti: epicentro, misure di intensità, magnitudo ed energia), conoscenze di Fisica (moto armonico, risposta di sistemi ad un grado di libertà).

Prerequisites

Basic knowledge in Geology and Seismology (Earth structure; Seismic waves and plate tectonics; Earthquakes: epicenter, intensity and magnitude scales), and Physics (harmonic motion, dynamic response of single degree of freedom systems).

Verifiche dell'apprendimento

La verifica dell’apprendimento è effettuata attraverso una prova di esame orale. La prova consiste nella discussione di almeno tre argomenti ed è volta a verificare il livello di conoscenza e di comprensione dei contenuti del corso. Sono altresì oggetto di valutazione il rigore metodologico e la proprietà di linguaggio nell'esposizione degli argomenti. Ciascuno degli argomenti trattati all’esame è oggetto di separata valutazione in trentesimi. La valutazione finale, espressa in trentesimi, è il risultato di un giudizio complessivo della prova d’esame che tiene conto della media delle valutazioni della discussione dei vari argomenti.

Assessment

The level of learning is checked through an oral examination. The exam, in the form of an interview, consists in the discussion of at least three topics, each scored out of thirty. The exam aims at verifying the level of knowledge and understanding of the course contents. The methodological rigor and appropriate scientific language in the presentation of the topics are also assessed. The final grade is expressed out of thirty and is the result of an overall assessment of the examination that accounts for the average of the scores obtained in the discussion of the different topics.

Programma del Corso

ELEMENTI DI MECCANICA DELLE TERRE: Struttura e interazione tra le fasi di una terra; Classificazione delle terre, Stati di tensione e deformazione in un continuo; Principio delle tensioni efficaci; Cerchi di Mohr e percorsi di carico; Calcolo delle tensioni in condizioni litostatiche; Modelli di comportamento meccanico delle terre; Criterio di resistenza. PROPAGAZIONE DELLE ONDE: Propagazione monodimensionale di onde di compressione e torsione: mezzo omogeneo e mezzo eterogeneo; Propagazione tridimensionale di onde di volume; Cenni sulle onde di superficie: velocità di propagazione e ampiezza degli spostamenti, dispersione; Riflessione e rifrazione delle onde; Attenuazione delle onde: smorzamento materiale e smorzamento radiativo. COMPORTAMENTO DEI TERRENI SOTTOPOSTI A CARICHI CICLICI: Alterazione dello stato tensionale e rotazione delle direzioni principali; Comportamento ciclico dei terreni; Prove di laboratorio e prove in sito per la caratterizzazione dei terreni ai fini delle analisi dinamiche. RISPOSTA SISMICA LOCALE: Parametri sismici di ampiezza, durata e frequenza; Spettro di Fourier e spettro di risposta. Analisi nel dominio del tempo e delle frequenze, funzione di trasferimento e di amplificazione. Soluzioni per uno strato elastico o visco-elastico su substrato rigido o deformabile. Risposta sismica locale di sottosuoli reali: effetto della eterogeneità, effetto della non-linearità, analisi lineare equivalente, analisi non lineare; Effetto della geometria di bacini alluvionali ed effetti topografici sulla risposta sismica locale LIQUEFAZIONE DEI DEPOSITI SABBIOSI SATURI: Valutazione della suscettibilità di un deposito alla liquefazione: criteri storici, criteri geologici, criteri basati sulla composizione granulometrica, criteri di stato; Innesco della liquefazione: evidenza sperimentale da percorsi di carico in prove monotone e cicliche, superficie di liquefazione, mobilità ciclica; Valutazione del potenziale di liquefazione; Metodi empirici per la valutazione di cedimenti indotti dalla liquefazione; Cenni sui metodi di miglioramento del terreno per la mitigazione della liquefazione.

Course Syllabus

FUNDAMENTALS OF SOIL MECHANICS: Structure and interaction among soil phases; Soil classification; States of stress and strain in a continuum; Effective stress principle; Mohr’s circles and stress paths; Evaluation of stresses in lithostatic conditions; Models of mechanical behaviour; Yield criterion. SEISMIC WAVES PROPAGATION: One-dimensional propagation of longitudinal and shear waves in homogeneous and heterogeneous media; Three-dimensional propagation of body waves; Surface waves: velocity and displacement amplitude, dispersion; Reflection and refraction of waves; Attenuation: material and radiation damping. SOIL BEHAVIOUR UNDER CYCLIC LOADING: Stress state and rotation of principal directions; Cyclic behaviour of soils; Laboratory and in situ tests for soil geotechnical characterization in dynamic analyses. SEISMIC RESPONSE ANALYSIS: Seismic parameters describing amplitude, duration and frequency content; Fourier and elastic response spectra. Dynamic analysis in time and frequency domain, transfer and amplification function; Solutions for an elastic or visco-elastic layer on a rigid or compliant bedrock; Seismic response analysis of real soils: heterogeneity and non-linearity effects, linear equivalent and non-linear analysis; Effect of valleys and topography on seismic response analysis. LIQUEFACTION: Assessment of susceptibility to liquefaction: historical, geological, compositional and state criteria; Liquefaction initiation: experimental evidence from stress path of monotonic and cyclic tests; Liquefaction potential; Empirical methods for the evaluation of liquefaction induced settlements; Methods for soil improvement against liquefaction.