The use of FLAC for the seismic evaluation of a concrete gravity dam including dam-water-sediments-foundation rock interaction

Seismic safety of 65m-high Licodia Eubea gravity dam located in Southeastern Sicily (Italy) has been assessed by means of advanced dynamic analyses of the tallest cross-section of the dam. The analyses were performed with two-dimensional, plane strain, finite difference FLAC code, taking into consideration simultaneously the dam-water-sediments-foundation interaction. The analyses have been carried out for an earthquake scenario corresponding to the Collapse Limit State (CLS), using a set of seven natural accelerograms for the simulations (both vertical and horizontal components). The physical and mechanical parameters of the concrete and foundation rock were obtained from in situ and laboratory tests campaigns. A validation of the dynamic model in terms of fundamental mode vibration periods of the dam was carried out first. Then, linear analyses allowed to understand whether nonlinear analyses were necessary. From nonlinear analyses results, Licodia Eubea dam has been found to have an acceptable margin of safety for CLS. The implementation of nonlinearity at the dam-foundation interface reduced the tensile stress within the structure. The dam might experience limited sliding along its base, but its structural integrity would be preserved

Analisi del comportamento dinamico di piastre piroclastiche in presenza di cavità

La 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

Analisi del comportamento dinamico di piastre piroclastiche in presenza di cavità

La 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

Instantaneous limit equilibrium back analyses of major rockslides triggered during the 2016–2017 central Italy seismic sequence

Among the almost 1400 landslides triggered by the shocks of the 2016–2017 central Italy seismic sequence, only a limited number, all classifiable as rockslides, involved volumes larger than 1000 m3 . Four of these failures, including the three largest among the documented landslides, were described in terms of structural and geomechanical investigations in a previous paper. In this study, the estimated acceleration time histories at the rockslide sites were evaluated through a 2D simplified numerical model accounting for the attenuation phenomena and for the topographic effect of the rock cliffs from which the slide detached. Instantaneous stability analyses were carried out to obtain insights into the variability of the instantaneous margin of safety along the motion, over the entire spectrum of mechanisms that could be activated. Finally, some general suggestions on the pseudostatic verification method for 3D cases are proposed, which represent useful indications to hazard evaluation at local and regional scales

PRENOLIN project. Results of the validation phase at sendai site

One of the objectives of the PRENOLIN project is the assessment of uncertainties associated with non-linear simulation of 1D site effects. An international benchmark is underway to test several numerical codes, including various non-linear soil constitutive models, to compute the non-linear seismic site response. The preliminary verification phase (i.e. comparison between numerical codes on simple, idealistic cases) is now followed by the validation phase, which compares predictions of such numerical estimations with actual strong motion data recorded from well-known sites. The benchmark presently involves 21 teams and 21 different non-linear computations. Extensive site characterization was performed at three sites of the Japanese KiK-net and PARI networks. This paper focuses on SENDAI site. The first results indicate that a careful analysis of the data for the lab measurement is required. The linear site response is overestimated while the non-linear effects are underestimated in the first iteration. According to these observations, a first set of recommendations for defining the non-linear soil parameters from lab measurements is proposed. PRENOLIN is part of two larger projects: SINAPS@, funded by the ANR (French National Research Agency) and SIGMA, funded by a consortium of nuclear operators (EDF, CEA, AREVA, ENL)

Mechanical properties of a weak pyroclastic rock and their relationship with microstructure

The 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

Computation of irreversible seismic displacements of rock wedges: an application to dam abutment safety assessment

The paper discusses a method to assess the seismic performance of rock wedges in contact with arch-dam abutments based on the Newmark displacement approach, conveniently modified to include all possible three-dimensional failure mechanisms and forces transmitted by the structure. Under rigid-block and no-rotations assumptions, the method allows to consider the three components of the seismic input, the progressive detachment of the block from the supporting discontinuity planes, the possible recover of the contact, and the temporary complete detachment of the block from the rock mass. In addition to gravitational and seismic inertial actions, static and dynamic forces exerted at the dam-wedge contact, including those related to the inertial interaction with the reservoir, are included in the analyses. A case study is presented, referred to the seismic verification of the Ridracoli arch-gravity dam (Italy), founded on a marly-arenaceous formation. In particular, the right abutment is thoroughly investigated against wedge sliding involving bedding planes of particularly poor resistance. The results in terms of maximum wedge displacements are compared with the corresponding factor of safety obtained with a limit equilibrium approach, indicating that even a wedge resulting unstable with limit equilibrium analyses shows relatively small displacements at the end of the seismic excitement