Studio sull'analisi di vulnerabilità sismica del sistema di interazione tra terreno soffice saturo e strutture delle stazioni della metropolitana

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7410 (2023) Citare questo articolo

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In questo articolo è stata esplorata la vulnerabilità sismica del sistema di interazione del terreno soffice saturo e delle strutture delle stazioni della metropolitana. I modelli numerici non lineari accoppiati del sistema di interazione sono stati stabiliti utilizzando la formulazione u-p della teoria di Biot per descrivere i mezzi bifase saturi. È stato sviluppato un modello raffinato di sistema di interazione agli elementi finiti per studiarne le risposte sismiche non lineari e il meccanismo di rischio sismico. In questo studio, per il terreno è stato adottato il modello costitutivo elastoplastico multisnervamento, mentre per la struttura è stato utilizzato un modello costitutivo elastoplastico a sezione fibrosa. La risposta sismica della struttura è stata calcolata inserendo l'onda sismica artificiale ottenuta dal metodo dello spettro di potenza-serie triangolare. L'angolo massimo di deriva tra i piani è stato preso come parametro di prestazione strutturale per la struttura della stazione della metropolitana. La nuvola di domanda strutturale è stata ottenuta mediante sequenze casuali di movimento del suolo. Sulla base del metodo di analisi probabilistico del modello di domanda sismica, è stata tracciata la curva di vulnerabilità sismica della struttura della stazione della metropolitana e la curva di vulnerabilità sismica è stata analizzata in base alla vulnerabilità dei parametri prestazionali. Con l’aumento della resistenza del suolo, l’indice di vulnerabilità della struttura della stazione della metropolitana a diverse accelerazioni di picco del movimento del suolo è diminuito di conseguenza. Sulla base della teoria della vulnerabilità e dei metodi di analisi di cui sopra, si può scoprire dalla teoria della vulnerabilità e dai metodi di analisi di cui sopra che la struttura della stazione della metropolitana con profondità sepolta stabilita in un sito di terreno soffice e saturo presenta un certo grado di sicurezza e affidabilità e può soddisfare i requisiti sismici obiettivo della fortificazione di "nessun danno nei terremoti piccoli, riparabile nei terremoti medi e nessun crollo nei terremoti grandi". I risultati dell'analisi di vulnerabilità sono in linea con l'attuale indagine sismica e il metodo di analisi di vulnerabilità proposto in questo documento può essere applicato all'analisi di vulnerabilità di strutture sotterranee su fondazioni di terreno soffice saturo.

La valutazione sismica delle strutture sotterranee è una delle questioni più impegnative nella progettazione ingegneristica. Questo perché di solito ci sono molte fonti di incertezza nelle rocce e nelle probabili caratteristiche dei terremoti. Si tratta quindi di un argomento nuovo nella valutazione dell'affidabilità dinamica delle strutture danneggiate dal sisma1. L'analisi della vulnerabilità sismica è stata applicata per la prima volta agli studi sulle prestazioni sismiche delle centrali nucleari negli anni '70. Mentre, con il continuo affinamento e sviluppo del metodo di analisi probabilistica della vulnerabilità sismica basata sulle prestazioni, esso è stato gradualmente applicato agli studi sismici di altre infrastrutture. Come metodo per valutare la prestazione sismica delle strutture, l'analisi della vulnerabilità sismica può determinare il danno atteso delle strutture o i potenziali pericoli sismici e valutare quantitativamente la prestazione sismica delle strutture, ovvero descrivere quantitativamente il raggiungimento di obiettivi prestazionali sismici predeterminati delle strutture sottoposte a diversi livelli di fortificazione sismica. È di grande importanza analizzare la vulnerabilità sismica, prevedere la probabilità di danno a tutti i livelli sotto diversi livelli di terremoti, quindi valutare la loro prestazione sismica e proporre misure di riduzione e isolamento sismico per la progettazione sismica delle strutture sotterranee. Sebbene la progettazione sismica basata sulle prestazioni sia stata introdotta nell’attuale codice per la progettazione sismica delle strutture sotterranee nelle metropolitane, il suo processo di progettazione e valutazione è ancora sottosviluppato e richiede ulteriori ricerche2.

Attualmente, l’analisi della vulnerabilità sismica consiste principalmente in un metodo empirico e in un metodo di analisi teorica. A causa della limitazione delle condizioni, la curva di vulnerabilità empirica è applicabile solo alla situazione simile alla fonte dei dati. La risposta sismica delle strutture sotterranee varia a seconda degli ambienti sismici e delle condizioni del sito, quindi le curve empiriche di vulnerabilità sono difficili da generalizzare. Il metodo di analisi teorica è un calcolo multiplo della risposta sismica delle strutture sotterranee, che viene infine sintetizzato mediante regressione. I metodi di calcolo comunemente utilizzati includono il metodo dello spettro di risposta, il metodo di analisi statica non lineare e il metodo di analisi della cronologia temporale non lineare.