02a SISMICA 2009-10 rev1.0.pdf

Corso di Ingegneria Sismica - a.a. 2009/10

dott. ing. Isaia Clemente, dott. ing. Chiara Bedon

2. NORMATIVA SISMICA Norme Tecniche per le Costruzioni (D.M. 14/01/2008)

Ottobre 2009 – v. 1.0

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2.1 2. 1 In Inttro rod duzi zion onee

2.1.1 Norm Normee Tecnic Tecniche he per per le Costr Costruzioni uzioni (NTC (NTC2008) 2008) Il 14/1/2008 è stato firmato dal Ministro per le Infrastrutture il decreto che contiene le nuove Norme Tecniche per le Costruzioni - NTC2008, pubblicato sulla G.U. n.29 del 4/2/2008. Una delle novità più importanti di questa norma riguarda l’azione sismica, sismica, che non viene più definita sulla base delle 4 zone sismiche indicate nell’OPCM 3274/2003 e s.m.i., ma si determina puntualmente per ogni sito. sito. Questo lavoro è stato svolto dall’INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia) nell’ambito del “Progetto esse1” previsto dalla Convenzione 2004 2006 tra l’INGV e il Dipartimento della Protezione Civile. (http://esse1.mi.ingv.it ( http://esse1.mi.ingv.it)) L’azione sismica di riferimento per la progettazione (riportata nell’allegato A delle NTC2008) è stata definita sulla base delle stime di pericolosità sismica per il territorio nazionale, secondo una griglia regolare di nodi (con passo di 5 km, per un totali di oltre 10000 nodi) per ognuno dei quali il “Progetto esse1” ha calcolato oltre 2200 parametri che descrivono in maniera esaustiva la pericolosità sismica sismica (picchi di accelerazione, accelerazioni spettrali, ecc…., tutti calcolati per diverse probabilità di accadimento in 50 anni). Tutti i dati sono accessibili e visualizzabili in mappa nel sito http://esse1-gis-mi-ingv-it http://esse1-gis-mi-ingv-it..


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2.1.2 Eurocodice 8 (Norma di III generazione) L’Eurocodice 8 ha fornito le basi per lo sviluppo della Normativa sismica italiana più recente (OPCM 3274, NTC2008). L’Eurocodice 8 è una delle norme che, al pari di altre (SEAOCVision, ATC40, FEMA273), si basa sul perseguimento di obiettivi puramente prestazionali (Performance Based Design, PBD). Si assiste quindi all’abbandono del carattere convenzionale e prescrittivo delle normative precedenti a favore di un’impostazione prestazionale, nella quale gli obiettivi della progettazione vengono dichiarati esplicitamente ed i metodi utilizzati a tale scopo vengono opportunamente giustificati. Questa impostazione fornisce al progettista la consapevolezza della finalità e del rilievo di ogni singola operazione e consente di graduare le prestazioni richieste all’opera in relazione ad esigenze di natura sociale ed economica. I livelli di prestazione introdotti dall’Eurocodice 8 corrispondono a: - No collapse requirement (SLU):

“The structure shall be designed and constructed t o withstand the design seismic action defined in Section 3 without local or global collapse, thus retaining its structural integrity and a residual load bearing capacity after the seismic events.” Corso di Ingegneria Sismica - a.a. 2009/10

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- Damage limitation requirement (SLD):

“The structure shall be designed and constructed to withstand a seismic action having a larger probability of occurrence than the design seismic action, without the occurrence of damage and the associated limitations of use, the costs of which would be disproportionately high in comparison with the costs of the structure itself.”

L’azione sismica è descritta sotto forma di spettro di risposta elastico in accelerazione e spettro di progetto.


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2.1.3 OPCM 3274/2003 e OPCM 3431/2005 (Norma di III generazione) L’OPCM 3274/2003 e la successiva OPCM 3431/2005 hanno recepito tutte le indicazioni ed i concetti base espressi dall’Eurocodice 8. Il territorio nazionale era suddiviso in zone sismiche, ciascuna contrassegnata da un diverso valore del parametro ag: accelerazione orizzontale di picco su roccia con probabilità di superamento del 10% in 50 anni.


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Nell’analisi sismica di una struttura o infrastruttura l’OPCM si riferisce a due eventi sismici, cui associa due distinti livelli prestazionali: - Stato Limite Ultimo (SLU): in occasione di un terremoto distruttivo (TR = 475 anni, 10% in 50 anni), pur subendo danni gravi, la struttura deve essere in grado di fornire una resistenza residua nei confronti delle azioni orizzontali e l’intera capacità portante nei confronti dei carichi verticali, al fine di salvaguardare le vite umane. - Stato Limite di Esercizio o di Danno (SLD): la struttura, soggetta ad un terremoto di servizio (TR = 95 anni, 10% in 10 anni), deve subire un ridotto danneggiamento delle parti strutturali e non strutturali, ovvero lo spostamento d’interpiano deve essere contenuto entro determinati valori.


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– Norma prestazionale non più prescrittiva – Nuova classificazione sismica del territorio nazionale – Azione sismica: o spettro elastico e spettro di progetto (duttilità, comportamento inelastico) o forma spettrale ed intensità sismica dipendono dal tipo di terreno – Accorgimenti progettuali necessari per conseguire la duttilità strutturale, CRITERIO DELLA GERARCHIA DELLE RESISTENZE


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2.2 Progetto di strutture in zona sismica – NTC2008

2.2.1 Norma di IV generazione La filosofia progettuale di una struttura in zona sismica contemplata dalla nuova normativa italiana (NTC2008), ampliando quanto previsto dall’Eurocodice 8, sceglie convenzionalmente quattro Stati Limite: – due Stati Limite Ultimi, considerando eventi sismici con bassa probabilità di accadimento (e quindi elevato periodo di ritorno): o

uno Stato Limite di Salvaguardia della Vita (SLV), per l’evento che ha probabilità di accadimento durante la vita di riferimento della struttura V R pari al 10%.

“A seguito del terremoto la costruzione subisce rotture e crolli dei componenti non strutturali ed impiantistici e significativi danni dei componenti strutturali cui si associa una perdita significativa di rigidezza nei confronti delle azioni orizzontali; la costruzione conserva invece una parte della resistenza e rigidezza per azioni verticali e un margine di sicurezza nei confronti del collasso per azioni sismiche orizzontali.” o

uno Stato Limite di Collasso (SLC), con probabilità di accadimento 5%.

“A seguito del terremoto la costruzione subisce gravi rotture e crolli dei componenti non strutturali ed impiantistici e danni molto gravi dei componenti strutturali; la costruzione conserva ancora un margine di sicurezza per azioni verticali ed un esiguo margine di sicurezza nei confronti del collasso per azioni orizzontali.”


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Per tali eventi si accetta che la struttura possa sostenere danni di grave entità, anche dal punto di vista strutturale, conservando però la capacità di sopportare i carichi verticali senza collassare. Nel primo caso (SLV) alla struttura è anche richiesta una residua capacità di resistere alle azioni orizzontali e cioè a repliche sismiche di intensità inferiore; nel secondo caso (SLC) è richiesta solo la capacità di sostenere i carichi verticali nella fase post-sismica, senza ulteriori riserve.

– due Stati Limite di Esercizio, quindi eventi sismici con alta probabilità di accadimento (basso periodo di ritorno): o

uno Stato Limite di Danno (SLD), per l’evento che ha probabilità di accadimento durante la vita di riferimento della struttura V R pari al 63%

“A seguito del terremoto la costruzione nel suo complesso, includendo gli elementi strutturali, quelli non strutturali, le apparecchiature rilevanti alla sua funzione, subisce danni tali da non mettere a rischio gli utenti e da non compromettere significativamente la capacità di resistenza e di rigidezza nei confronti delle azioni verticali ed orizzontali, mantenendosi immediatamente utilizzabile pur nell’interruzione d’uso di parte delle apparecchiature.” o

uno Stato Limite di Operatività (SLO), con probabilità di accadimento 81%.

“A seguito del terremoto la costruzione nel suo complesso, includendo gli elementi strutturali, quelli non strutturali, le apparecchiature rilevanti alla sua funzione, non deve subire danni ed interruzioni d'uso significativi.”


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Nel primo caso (SLD) la struttura, pur subendo limitati danni, deve rimanere agibile dopo il sisma e ciò convenzionalmente si controlla limitando gli spostamenti relativi di piano (in certi casi, per strutture di particolare rilevanza, può essere richiesta la verifica di resistenza degli elementi); nel secondo caso (SLO) la struttura deve rimanere del tutto operativa, anche in termini di impianti e apparecchiature (lo si verifica controllando spostamenti e accelerazioni subiti dalle apparecchiature).

La norma prevede 4 intervalli di accelerazione sismica, legati al periodo di ritorno T R del sisma, definendo: 1.

evento Frequente

(periodo di ritorno TR dai 25 ai 72 anni)

2.

evento Occasionale


3.

evento Raro

(periodo di ritorno TR di 475 anni)

4.

evento Molto Raro



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2.2.2 Periodo di riferimento per l’azione sismica Le azioni sismiche su ciascuna costruzione vengono valutate in relazione ad un periodo di riferimento VR che si ricava, per ciascun tipo di costruzione, moltiplicandone la Vita Nominale per il coefficiente d’uso CU : V R  VN  C U

Il valore del coefficiente C U è definito nella seguente tabella, al variare della classe d’uso: CLASSE D’USO

I

II

III

IV

coefficiente CU

0.7

1.0

1.5

2.0

Se VR risulta essere  35 anni si pone comunque V R = 35 anni


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2.2.3 Vita nominale La vita nominale di un’opera strutturale V N è intesa come il numero di anni nel quale la struttura, purché soggetta alla manutenzione ordinaria, deve potere essere usata per lo scopo al quale è destinata. La vita nominale dei diversi tipi di opere deve essere precisata nei documenti di progetto.

Tipi di Costruzione

Vita Nominale VN (anni)

1

1

Opere provvisorie – Opere provvisionali – Strutture in fase costruttiva

< 10

2

Opere ordinarie, ponti, opere infrastrutturali e dighe di dimensioni contenute o di importanza normale

 50

3

Grandi opere, ponti, opere infrastrutturali e dighe di grandi dimensioni o di importanza strategica

 100

1) Le verifiche sismiche di strutture provvisorie o in fase costruttiva possono omettersi quando le relative durate previste in progetto siano inferiori a 2 anni.


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2.2.4 Classi d’uso In presenza di azioni sismiche, con riferimento alle conseguenze di un’interruzione di operatività o di un eventuale collasso, le costruzioni sono suddivise in classi d’uso così definite: Classe I

Costruzioni con presenza solo occasionale di persone, edifici agricoli.

Classe II

Costruzioni il cui uso preveda normali affollamenti, senza contenuti pericolosi per l’ambiente e senza funzioni pubbliche e sociali essenziali. Industrie con attività non pericolose per l’ambiente. Ponti, opere infrastrutturali, reti viarie non ricadenti in Classe d’uso III o in Classe d’uso IV , reti ferroviarie la cui interruzione non provochi situazioni di emergenza. Dighe il cui collasso non provochi conseguenze rilevanti.

Classe III

Costruzioni il cui uso preveda affollamenti significativi. Industrie con attività pericolose per l’ambiente. Reti viarie extraurbane non ricadenti in Classe d’uso IV . Ponti e reti ferroviarie la cui interruzione provochi situazioni di emergenza. Dighe rilevanti per le conseguenze di un loro eventuale collasso.

Classe IV

Costruzioni con funzioni pubbliche o strategiche importanti, anche con riferimento alla gestione della protezione civile in caso di calamità. Industrie con attività particolarmente pericolose per l’ambiente. Reti viarie di tipo A o B, di cui al D.M. 5 novembre 2001, n. 6792, “Norme funzionali e geometriche per la costruzione delle strade”, e di tipo C quando appartenenti ad itinerari di collegamento tra capoluoghi di provincia non altresì serviti da strade di tipo A o B. Ponti e reti ferroviarie di importanza critica per il mantenimento delle vie di comunicazione, particolarmente dopo un evento sismico. Dighe connesse al funzionamento di acquedotti e a impianti di produzione di energia elettrica.


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2.2.5 Azione sismica Le NTC2008 (§3.2) stabiliscono il principio per cui le azioni sismiche sulle costruzioni si stabiliscono in relazione alla pericolosità del sito definita in termini di accelerazione orizzontale massima attesa ag su roccia (suolo tipo A) e del corrispondente spettro di risposta elastico. Per accelerazione massima attesa si intende il picco del segnale che ha una probabilità P VR di essere superato in un periodo di riferimento V R (ad esempio molti codici considerano la probabilità del 10% in 50 anni come riferimento per il progetto). L’azione sismica, per il sito di edificazione e per la tipologia di costruzione definita (vita nominale, coefficiente d’uso), deve essere valutata relativamente allo Stato Limite da considerare. Le probabilità di superamento nel periodo di riferimento P VR, cui riferirsi per individuare l’azione sismica agente in ciascuno degli stati limite considerati, sono riportate in tabella:


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Qualora la protezione nei confronti degli stati limite di esercizio sia di prioritaria importanza, i valori di P VR forniti in tabella devono essere ridotti in funzione del grado di protezione che si vuole raggiungere. Fissata la probabilità di superamento nel periodo di riferimento P VR per ciascun Stato Limite considerato, va determinato il periodo di ritorno dell’evento sismico da considerare. A tal fine si utilizza la seguente formula e la relativa tabella:


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Le azioni sismiche di progetto, in base alle quali valutare il rispetto dei diversi stati limite considerati, si definiscono a partire dalla “pericolosità sismica di base” del sito di costruzione. Essa costituisce l’elemento di conoscenza primario per la determinazione delle azioni sismiche. La pericolosità sismica è definita in termini di accelerazione orizzontale massima attesa ag in condizioni di campo libero su sito di riferimento rigido con superficie topografica orizzontale (di categoria A quale definita al §3.2.2), nonché di ordinate dello spettro di risposta elastico in accelerazione ad essa corrispondente S e(T), con riferimento a prefissate probabilità di eccedenza P VR, come definite nel §3.2.1, nel periodo di riferimento V R, come definito nel §2.4. In alternativa è ammesso l’uso di accelerogrammi, purché correttamente commisurati alla pericolosità sismica del sito. Le forme spettrali sono definite, per ciascuna delle probabilità di superamento nel periodo di riferimento P VR, a partire dai valori dei seguenti parametri su sito di riferimento rigido orizzontale: accelerazione orizzontale massima al sito, ag

F 0

valore massimo del fattore di amplificazione dello spettro in accelerazione orizzontale,

T C *

periodo di inizio del tratto a velocità costante dello spettro in accelerazione orizzontale.

In allegato alle NTC2008, per tutti i siti considerati, sono forniti i valori di ag, F 0 e T C * necessari per la determinazione delle azioni sismiche. Corso di Ingegneria Sismica - a.a. 2009/10

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T = 475 anni


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In alternativa, per la costruzione degli spettri di risposta in accelerazione delle componenti verticali ed orizzontali è possibile utilizzare un file Excel ( Spettri NTC) messo a disposizione dal Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici al seguente indirizzo: http://www.cslp.it/cslp/index.php?option=com_docman&task=cat_view&gid=56&&Itemid=10


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2.2.6 Categorie di sottosuolo e condizioni topografiche 

Categorie di sottosuolo

Le NTC2008 tengono conto degli effetti stratigrafici definendo lo spettro di risposta elastico e di progetto in maniera differente al variare delle caratteristiche del suolo di fondazione. Vengono distinte, in particolare, cinque categorie di sottosuolo (A, B, C, D, E), caratterizzate da rigidezza decrescente. La classificazione si effettua in base ai valori della velocità equivalente V s,30 di propagazione delle onde di taglio entro i primi 30 m di profondità, essendo: Vs,30 

30 [m / s] hi

V

i 1,N

s,i

dove: hi

è lo spessore (in metri) dell’i-esimo strato compreso nei primi 30 m di profondità;

Vs,i è la velocità delle onde di taglio nell’i-esimo strato.


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

Condizioni topografiche

Per condizioni topografiche complesse è necessario predisporre specifiche analisi di risposta sismica locale. Per configurazioni superficiali semplici si può adottare la classificazione proposta al §3.2.2.


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2.2.7 Descrizione del moto sismico Il modello di riferimento per la descrizione del moto sismico (terremoto di progetto) in un punto della superficie del suolo è costituito da uno spettro di risposta elastico in termini di accelerazione. Il moto orizzontale è considerato composto da due componenti ortogonali indipendenti, caratterizzate dallo stesso spettro di risposta. La componente verticale del moto sismico si considera invece rappresentata da uno spettro di risposta elastico diverso da quello delle componenti orizzontali.

“L'azione sismica è caratterizzata da 3 componenti traslazionali, due orizzontali contrassegnate da X ed Y ed una verticale contrassegnata da Z, da considerare tra di loro indipendenti. Salvo quanto specificato nel §7.11 per le opere e i sistemi geotecnici, la componente verticale verrà considerata ove espressamente specificato (Cap. 7) e purché il sito nel quale la costruzione sorge non sia in Zone 3 e 4. Le componenti possono essere descritte, in funzione del tipo di analisi adottata, mediante una delle seguenti rappresentazioni: - accelerazione massima attesa in superficie - accelerazione massima e relativo spettro di risposta attesi i n superficie - accelerogramma.”


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2.2.7.1 Spettro di risposta elastico in accelerazione delle componenti orizzontali Quale che sia la probabilità di superamento nel periodo di riferimento P VR considerata, lo spettro di risposta elastico della componente orizzontale è definito dalle espressioni seguenti:

nelle quali:

T

periodo di vibrazione;

S e

accelerazione spettrale orizzontale;


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S

coefficiente che tiene conto della categoria di sottosuolo e delle condizioni topografiche mediante la relazione S  S S  ST essendo S S il coefficiente di amplificazione stratigrafica (Tab. 3.2.V) e S T il coefficiente di amplificazione topografica (Tab. 3.2.VI);



fattore che altera lo spettro elastico per coefficienti di smorzamento viscosi convenzionali  diversi dal 5%, mediante la relazione  

10 5  

 0.55

dove  (espresso in percentuale) è valutato sulla base di materiali, tipologia strutturale e terreno di fondazione;

F 0

fattore che quantifica l’amplificazione spettrale massima, su sito di riferimento rigido orizzontale, ed ha valore minimo pari a 2.2;

T C

periodo corrispondente all’inizio del tratto a velocità costante dello spettro, dato da T C  * C C  TC


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dove:

T C* C C

è il periodo di inizio del tratto a velocità costante dello spettro in accelerazione orizzontale, è un coefficiente funzione della categoria di sottosuolo (Tab. 3.2.V);

T B

periodo corrispondente all’inizio del tratto dello spettro ad accelerazione costante T B  T C / 3

T D

periodo corrispondente all’inizio del tratto a spostamento costante dello spettro, espresso in secondi mediante la relazione T D  4.0 

a g g

 1.6

Per categorie speciali di sottosuolo, per determinati sistemi geotecnici o se si intenda aumentare il grado di accuratezza nella previsione dei fenomeni di amplificazione, le azioni sismiche da considerare nella progettazione possono essere determinate mediante più rigorose analisi di risposta sismica locale. Queste analisi presuppongono un’adeguata conoscenza delle proprietà geotecniche dei terreni e, in particolare, delle relazioni sforzi-deformazioni in campo ciclico, da determinare mediante specifiche indagini e prove. Corso di Ingegneria Sismica - a.a. 2009/10

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In mancanza di tali determinazioni, per le componenti orizzontali del moto e per le categorie di sottosuolo di fondazione definite nel §3.2.2, la forma spettrale su sottosuolo di categoria A è modificata attraverso il coefficiente stratigrafico S S , il coefficiente topografico S T e il coefficiente modifica il valore del periodo T C. C C che


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Amplificazione stratigrafica

Per sottosuolo di categoria A i coefficienti S S e 1. C C valgono Per le categorie di sottosuolo B, C, D ed E i coefficienti S S e C C possono essere calcolati, in funzione dei valori di F 0 e T C * relativi al sottosuolo di categoria A, mediante le espressioni fornite nella Tab. 3.2.V, nelle quali g è l’accelerazione di gravità ed il tempo è espresso in secondi.


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Amplificazione topografica

Per tener conto delle condizioni topografiche e in assenza di specifiche analisi di risposta sismica locale, si utilizzano i valori del coefficiente topografico S T riportati nella Tab. 3.2.VI, in funzione delle categorie topografiche definite in §3.2.2 e dell’ubicazione dell’opera o dell’intervento. La variazione spaziale del coefficiente di amplificazione topografica è definita da un decremento lineare con l’altezza del pendio o rilievo, dalla sommità o cresta fino alla base dove S T assume valore unitario.


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2.2.7.2 Spettro di risposta elastico in accelerazione della componente verticale Lo spettro di risposta elastico in accelerazione della componente verticale è definito dalle espressioni seguenti:

nelle quali:

T

periodo di vibrazione;

S ve

accelerazione spettrale verticale;


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F v

fattore che quantifica l’amplificazione spettrale massima, in termini di accelerazione orizzontale massima del terreno a g su sito di riferimento rigido orizzontale, mediante la relazione:  a g  F V  1.35  F 0     g 

0.5

I valori di a g , F 0, S ,  sono definiti nel §3.2.3.2.1 per le componenti orizzontali. I valori di S S, T B, T C e T D, salvo più accurate determinazioni, sono invece quelli riportati nella tabella sottostante (Tab. 3.2.VII).

Per tener conto delle condizioni topografiche, in assenza di specifiche analisi si utilizzano i valori del coefficiente topografico S T riportati in Tab. 3.2.VI.


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2.2.7.3 Spettro di risposta elastico in spostamento delle componenti orizzontali Lo spettro di risposta elastico in spostamento delle componenti orizzontali S De(T) si ricava dalla corrispondente risposta in accelerazione S e(T) mediante la seguente espressione:  T  S De T   S e T      2 

2

purché il periodo di vibrazione T non ecceda i valori T E indicati nella tabella seguente (Tab. 3.2.VIII).


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Per periodi di vibrazione eccedenti T E , le ordinate dello spettro possono essere ottenute dalle formule seguenti:

2.2.7.4 Spostamento orizzontale e velocità orizzontale del terreno I valori dello spostamento orizzontale d g e della velocità orizzontale v g massimi del terreno sono dati dalle seguenti espressioni:


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