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Mauro Corrao - Geocheck s.r.l. - CATANIA METODI SPERIMENTALI PER LA VALUTAZIONE DELLA RISPOSTA SISMICA LOCALE E NTC 2008.

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2 Mauro Corrao - Geocheck s.r.l. - CATANIA METODI SPERIMENTALI PER LA VALUTAZIONE DELLA RISPOSTA SISMICA LOCALE E NTC 2008

3 California Institute of Technology - Servizio Geologico degli USA Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale – OGS di Trieste TERREMOTO del 29 luglio 2008 nella Great Los Angeles Metropolitan Region della California Il gruppo americano sosteneva che le differenze di danneggiamento causate dal terremoto erano dovute principalmente alle diverse caratteristiche locali dei terreni di fondazione. Secondo gli italiani a Los Angeles i terreni incidono sugli effetti, ma lo è stato ancor di più il modo con cui lenergia sismica è stata emessa dalla sorgente in profondità. ? Nel caso specifico, gli italiani sostengono di aver dimostrato che la sequenza logica causa-effetto (dalla faglia-sorgente fino ai danni riscontrati sui vari terreni sui quali sono costruiti gli edifici) non era stata impostata correttamente. Accettando questa analisi italiana a Los Angeles, il direttore scientifico della rivista (prof. Astiz dellUniversità della California, San Diego) e i colleghi americani hanno dimostrato notevole fair play.

4 NTC CATEGORIE DI SOTTOSUOLO E CONDIZIONI TOPOGRAFICHE Ai fini della definizione dellazione sismica di progetto, si rende necessario valutare leffetto della risposta sismica locale mediante specifiche analisi, come indicato nel § In assenza di tali analisi, per la definizione dellazione sismica si può fare riferimento a un approccio semplificato, che si basa sullindividuazione di categorie di sottosuolo di riferimento (Tab. 3.2.II e 3.2.III). INOLTRE IL D.M. RIPORTA…….

5 La classificazione si effettua in base ai valori della velocità equivalente Vs,30 di propagazione delle onde di taglio (definita successivamente) entro i primi 30 m di profondità. Per le fondazioni superficiali, tale profondità è riferita al piano di imposta delle stesse, mentre per le fondazioni su pali è riferita alla testa dei pali. Nel caso di opere di sostegno di terreni naturali, la profondità è riferita alla testa dellopera. Per muri di sostegno di terrapieni, la profondità è riferita al piano di imposta della fondazione. La misura diretta della velocità di propagazione delle onde di taglio è fortemente raccomandata. Nei casi in cui tale determinazione non sia disponibile, la classificazione può essere effettuata in base ai valori del numero equivalente di colpi della prova penetrometrica dinamica (Standard Penetration Test) NSPT,30 (definito successivamente) nei terreni prevalentemente a grana grossa e della resistenza non drenata equivalente cu,30 (definita successivamente) nei terreni prevalentemente a grana fina. In alternativa

6 QUINDI……..NELLA MAGGIOR PARTE DEI CASI…………….CIÒ CHE LA NORMATIVA VIGENTE RICHIEDE IN PIÙ AI GEOLOGI E QUINDI AGLI INGEGNERI È IL VS30 PER LA DEFINIZIONE DEL SUOLO TIPO.

7 PERO SE NON SEMPLIFICHIAMO LE COSE…………….. Al fine di schematizzare al meglio il comportamento meccanico dei terreni, il D.M prevede che la risposta sismica venga calcolata sia per un sottosuolo ideale (strati omogenei e isotropi) sia per un sottosuolo reale (strati disomogenei e anisotropi). Lo sviluppo della sperimentazione nei due casi dipenderà sia dalle caratteristiche della struttura da costruire sia dalle informazioni parametriche e geometriche del determinato contesto geologico in cui essa sorgerà (ovvero dalla quantità di informazioni desunte dalle indagini geognostiche, geofisiche e geotecniche).

8 SOTTOSUOLO IDEALE n n Il problema della caratterizzazione della risposta in frequenza di unarea sottoposta a una sollecitazione sismica è stato affrontato da molti ricercatori attraverso lanalisi di microtremori registrati in quellarea. La tesi di partenza si basa sul fatto che lenergia dei microtremori (rumore ambientale) si propaga principalmente mediante onde di Rayleigh, e che leffetto di amplificazione del sito è dovuto alla presenza di uno strato soffice sovrastante un semispazio (bedrock). n n La tecnica dei rapporti spettrali H/V funziona in casi ideali, e cioè laddove esiste un evidente contrasto di impedenza sismica tra copertura e semispazio, mentre deve essere verificata nel caso di litologie fortemente anisotrope e discontinue dal punto di vista fisico-stratigrafico.

9 Analisi numerica del metodo n n La risposta sismica locale, desunta e calcolata mediante campionature di microtremore, dovrà essere validata da una modellazione teorica monodimensionale che scaturisce dallanalisi di dati di sismica in foro (downhole) e cioè attraverso la determinazione VS30, delle Vp, Vs e il dimensionamento dei moduli elastici e dinamici quali: n n la rigidità, o impedenza sismica (IS); n n il coefficiente di rifrazione ; n n il coefficiente di riflessione.

10 TABELLA MODULI ELASTICI DA DOWN HOLE La frequenza di oscillazione secondo la semplice relazione monodimensionale che segue, definisce, per uno strato omogeneo equivalente, una prima indicazione dei campi in frequenza soggetti a fenomeni di amplificazione sismica locale. dove f 0 = frequenza fondamentale di oscillazione dello strato di copertura h = spessore dello strato di copertura. Lamplificazione sismica sarà quindi condizionata dal contrasto tra limpedenza della copertura e quella del semispazio. Il fattore di amplificazione massimo è dato dal rapporto tra rigidezza sismica del semispazio e rigidezza sismica della copertura.

11 SOTTOSUOLO REALE Nel caso di un sottosuolo reale, i modelli da utilizzare sono di tipo viscoelastico. Loperazione consiste nel calcolare lo spettro teorico relativo ad unonda sismica che si propaga dal semispazio alla superficie. Tutto ciò presume una schematizzazione teorica sia stratigrafica sia geotecnica del sottosuolo. In particolare, si genera un accelerogramma sintetico al semispazio e si calcola la funzione di trasferimento della radiazione sismica in superficie: ovvero si determinano i valori massimi di accelerazione, velocità e spostamento attesi al suolo.

12 La definizione dellaccelerogramma al sito si può ottenere con diverse metodologie di calcolo: stocastica (sintesi statistica di una serie temporale); semi-deterministica (sintesi statistica e parametrizzazione della sorgente sismica); deterministica (parametrizzazione della sorgente sismica e del mezzo in cui si propaga). Generalmente viene impiegato il metodo stocastico in quanto risulta difficile impiegare parametrizzazioni della sorgente se non si hanno a disposizione registrazioni di terremoti.

13 OBIETTIVI DELLO STUDIO n n STRUMENTI E MODALITA DI ACQUISIZIONE DEFINIZIONE DELLA RISPOSTA SISMICA LOCALE MEDIANTE LA TECNICA DEI RAPPORTI SPETTRALI n RETE SISMICA LOCALE ACCELEROMETRICA E VELOCIMETRICA, COSTITUITA DA SISMOMETRI DEL TIPO REFTEK ACCOPPIATI A SENSORI GURALP CMG5 (acc.) e CMG40T (vel.) A LARGA BANDA n MODALITA DACQUISIZIONE IN CONTINUO - SAMPLE RATE 125 Hz n TEMPORIZZAZIONE SATELLITARE DELLE STAZIONI n FATTORI DETERMINANTI LA SCELTA DEI SITI n LITOLOGIA AFFIORANTE n SITI DI RIFERIMENTO BEDROCK AFFIORANTE n CONDIZIONAMENTI LEGATI ALLA LOGISTICA Esempio di sottosuolo ideale – H/V eseguito a Catania e verifica della metodologia

14 RETE SISMICA MOBILE LOCALE n CITT - Cittadella Universitaria LITOLOGIA Lave a spessore limitato n POLI - Policlinico Universitario LITOLOGIA Sabbie argillose n PROT - Protezione civile LITOLOGIA Lave n SIELI - Sieli - Misterbianco sud LITOLOGIA Argille grigio azzurre n GENI - Genio civile LITOLOGIA Limi n UNIV - Palazzo delle scienze LITOLOGIA Lave n MINO - Chiesa dei Minoritelli LITOLOGIA Vulcanoclastiti n MUNI - Municipio di Catania LITOLOGIA Materiale di riporto n LIBR1 - Librino - S. Giorgio LITOLOGIA Sabbie e conglomerati n LIBR2 - Librino - S. Giorgio LITOLOGIA Sabbie argillose n ZILI - Zia Lisa - Villaggio S. Agata LITOLOGIA Sabbie argillose n FERL - Zona Industriale - Catania sud LITOLOGIA Depositi alluvionali

15 ELABORAZIONE DATI 1 1 Calcolo del rapporto spettrale H/V del rumore ambientale acquisito alle stazioni. La durata della finestra temporale analizzata è pari a 24 h. 2 2 Calcolo del rapporto spettrale H/V Terremoti. La durata della finestra è compresa tra 6.66 e 7.48 secondi (onde S). 3 3 Calcolo del rapporto spettrale per le componenti orizzontali H(sito)/H(riferimento) STAZIONI UTILIZZATE PER LELABORAZIONE IN QUESTA PRIMA FASE DI STUDIO Þ CITT - Cittadella Universitaria LITOLOGIA Lave a spessore limitato Þ POLI - Policlinico Universitario LITOLOGIA Sabbie argillose Þ GENI - Genio civile LITOLOGIA Limi Þ UNIV - Palazzo delle scienze LITOLOGIA Lave Þ MINO - Chiesa dei Minoritelli LITOLOGIA Vulcanoclastiti Þ LIBR1 - Librino - S. Giorgio LITOLOGIA Sabbie e conglomerati

16 CITTADELLA UNIVERSITARIA RESTITUZIONI 18 Hz 4.5 Hz 1.0 Hz OSSERVAZIONI La risposta di sito per le tre differenti metodologie analitiche risulta non confrontabile.

17 POLICLINICO UNIVERSITARIO 3.5 Hz OSSERVAZIONI La risposta di sito per le tre differenti metodologie analitiche risulta confrontabile in frequenza ma non in ampiezza relativamente al rapporto spettrale H ( sito) /H (r iferimento).

18 GENIO CIVILE 0.2 Hz 3.25 Hz 2.5 Hz OSSERVAZIONI La risposta di sito per le tre differenti metodologie analitiche risulta non confrontabile.

19 PALAZZO DELLE SCIENZE - Riferimento 0.15 Hz OSSERVAZIONI La risposta di sito per le due differenti metodologie analitiche risulta confrontabile. Ciò conferma anche la scelta quale sito di riferimento (spettri piatti).

20 CHIESA DEI MINORITELLI 0.2 Hz 3.5 Hz 1.5 Hz OSSERVAZIONI La risposta di sito per le tre differenti metodologie analitiche risulta non confrontabile.

21 LIBRINO-SAN GIORGIO 0.16 Hz 3-5 Hz 3.0 Hz OSSERVAZIONI La risposta di sito per le tre differenti metodologie analitiche risulta confrontabile in frequenza solo per i rapporti spettrali H (sito) /H (riferimento) e H/V Terremoti.

22 RISULTATI 1 - La risposta sismica locale risulta confrontabile solo in due dei siti sedimentari analizzati. - Policlinico Universitario solo per i rapporti spettrali H(sito)/H(riferimento) e H/V Terremoti - Librino-S. Giorgio (solo per i rapporti spettrali H(sito)/H(riferimento) e H/V Terremoti) 2 - Nei siti laddove affiorano litotipi lavici, la risposta sismica locale non è confrontabile per i tre metodi di calcolo utilizzati. CONSIDERAZIONI n Anisotropia e disomogeneità latero-verticali dei mezzi attraversati dalla radiazione sismica, fanno sì che la componente verticale del moto del suolo non è sempre rappresentativa del riferimento (bedrock). Anisotropia e disomogeneità latero-verticali dei mezzi attraversati dalla radiazione sismica, fanno sì che la componente verticale del moto del suolo non è sempre rappresentativa del riferimento (bedrock). Anisotropia e disomogeneità latero-verticali dei mezzi attraversati dalla radiazione sismica, fanno sì che la componente verticale del moto del suolo non è sempre rappresentativa del riferimento (bedrock). n La tecnica dei rapporti spettrali H/V, in aree fortemente anisotrope come Catania, deve essere utilizzata con cautela e comunque, se possibile, preceduta e accompagnata dallacquisizione di dati litostratigrafici e geofisici necessari a validare, mediante modelli teorici, i risultati sperimentali ottenuti. La tecnica dei rapporti spettrali H/V, in aree fortemente anisotrope come Catania, deve essere utilizzata con cautela e comunque, se possibile, preceduta e accompagnata dallacquisizione di dati litostratigrafici e geofisici necessari a validare, mediante modelli teorici, i risultati sperimentali ottenuti. La tecnica dei rapporti spettrali H/V, in aree fortemente anisotrope come Catania, deve essere utilizzata con cautela e comunque, se possibile, preceduta e accompagnata dallacquisizione di dati litostratigrafici e geofisici necessari a validare, mediante modelli teorici, i risultati sperimentali ottenuti.

23 Esempio di sottosuolo reale – RISPOSTA SISMICA LOCALE CON RIFERIMENTO AL D.M./2008 Nellesempio riportato, che fa riferimento ad unarea sita nel territorio comunale di Guardia – Acireale (CT), lobiettivo è stato quello di valutare le modificazioni in ampiezza (accelerazione, velocità o spostamento), durata e contenuto in frequenza che un moto sismico (terremoto di riferimento), relativo ad una formazione rocciosa di base (bedrock), subisce attraversando gli strati di terreno sovrastanti fino alla superficie. A tal fine lo studio è stato organizzato in tre fasi: la prima fase si riferisce allinquadramento sismotettonico dellarea oggetto di studio e alla definizione del terremoto di magnitudo massima attesa, quale input sismico al bedrock; la seconda fase consiste nella caratterizzazione geo-litologica e geofisica dei terreni di fondazione e sottofondazione, ovvero la definizione del modello dinamico; la terza ed ultima fase prevede alla modellazione numerica degli effetti di amplificazione del moto sismico in superficie.

24 Scelta Dei Parametri Di Input Vista la difficoltà a sintetizzare linput sismico al bedrock, per la mancanza di dati sismologici precisi della sorgente sismica, si è preferito utilizzare accelerogrammi spettro-compatibili da normativa D.M./2008, che nel caso specifico sono stati riferiti ad un suolo di categoria A. Nella fattispecie sono state considerate due aree sorgenti: la prima è la Scarpata Ibleo – Maltese nella quale ha avuto origine levento sismico dell , di magnitudo locale ML = 7.1 e la cui distanza dal sito oggetto di studio è di circa 25 km; la seconda area sorgente utilizzata per il calcolo è quella relativa al basso versante nord-orientale dellEtna, nella quale ha avuto origine levento sismico del delle ore 10:02 con ML pari a 4.8. Relativamente a questo terremoto, recenti studi hanno videnziato che gli effetti sugli edifici prodotti da eventi sismici vulcanici sono comparabili con quelli osservati nelle regioni tettoniche dellItalia a causa di terremoti molto più forti (fino a ML Å 5,9). Pertanto è stata cautelativamente considerata una ML = 5,9 e una distanza epicentrale pari a 7,0 km.

25 Calcolo I due terremoti simulati (sintetizzati) sono stati quindi assunti per definire la funzione di trasferimento bedrock-superficie attraverso la convoluzione degli stessi eventi con la risposta sismica locale, definita tramite il modello geo-dinamico del sito. Il modello geosismico del sito studiato è stato definito sulla base delle informazioni di carattere geologico e geofisico di tipo sismico down-hole. La risposta in frequenza del sito è stata definita attraverso lanalisi HVSR, acronimo dellinglese Horizontal Vertical Spectral Ratio. Quindi al fine di verificare la coerenza del dato sperimentale con il modello geosismico è stato calcolato lo spettro teorico tramite un modello visco-elastico 1D (Haskel-Thomson method), definito sulla base delle risultanze geologiche e geofisiche.

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27 Per il calcolo dellaccelerazione sismica attesa al sito è stato utilizzato un codice di calcolo numerico basato sulla teoria della propagazione delle onde sismiche nel sottosuolo e la teoria del comportamento non lineare e dissipativo dei terreni in condizioni dinamiche. Come input sismico incidente al bedrock sono stati utilizzate le due simulazioni riferite ai terremoti sorgente definiti. Il modello sismostratigrafico rappresentativo del sito studiato è dato da una copertura soffice di 9,5 m (sismostrato Vulcanoclastiti) sovrastante il bedrock (sismostrato Lave compatte). I risultati ottenuti sono: simulazioni sismiche al bedrock e in superficie; spettri di risposta.

28 Area sorgente etnea Accelerazione attesa al bedrock pari a 0,226 g (221,48 cm/sec 2 ). Nel trasferimento bedrock-superficie laccelerazione aumenta fino a raggiungere valori di 0,3525 g (345,45 cm/sec 2 ). Lo spettro di risposta calcolato con uno smorzamento critico del 5%, raggiunge il massimo valore di 0,93 g a 0,09 sec.

29 Area sorgente scarpata Ibleo - Matese Accelerazione al bedrock pari a 0,2577 g (252,546 cm/sec 2 ). Nel tragitto bedrock-superficie laccelerazione aumenta fino a raggiungere valori di 0,334 g (327,32 cm/sec 2 ). Lo spettro di risposta calcolato con uno smorzamento critico del 5% raggiunge il massimo valore di 0,998 g a 0,12 sec.

30 Comparazione degli spettri di risposta ottenuti con quelli da D.M/2008

31 SEMPLIFICANDO…………ciò che definisce il suolo tipo è il Vs30 Nelle definizioni delle categorie, in funzione della velocità media di propagazione delle onde di taglio entro i 30 metri di profondità, viene considerata la seguente espressione:

32 COME SI OTTIENE IL VS30 Per la stima delle Velocità di taglio e quindi il Vs30 è possibile utilizzare: - Indagini geofisiche di misura delle Vs Sismica in foro (down/cross hole) Sismica superficiale VS Cono sismico - Indagini geofisiche di calcolo delle Vs Sismica del tipo MASW, SASW e passiva

33 Le fasi (P ed S) di un segnale sismico sono così identificabili Identificare la fase P risulta spesso agevole, se le condizioni del sito sono favorevoli (bassa rumorosità e corretta energizzazione), in quanto basterà riconoscere il primo arrivo delle onde sismiche generate che emergono dal rumore di fondo precedente il segnale.

34 Le onde di taglio, al contrario, sono di più difficile lettura, poiché viaggiano più lentamente e spesso si sovrappongono alle onde P riflesse, che hanno ampiezza confrontabile alle onde S. Per evidenziare le onde S si ricorre alla tecnica dellinversione di fase, che consiste nella generazione di onde di taglio polarizzate di 180° in un piano orizzontale. Operativamente si procede colpendo lateralmente la sorgente SH prima in un senso e poi nellaltro. In questo modo si rende riconoscibile larrivo delle onde di taglio (figura 4.6), poiché risulteranno opposte nel medesimo istante (+ 1, – 1). La stessa tecnica può essere eseguita mediante operazione algebrica dei due segnali in fase opposta (figura 4.7). Infatti, la sottrazione algebrica di due segnali in opposizione di fase produce un aumento di ampiezza delle onde S e una diminuzione dellampiezza delle altre fasi sismiche (onde P).

35 Sismica in foro Tra le sismiche in foro quella più utilizzata è del tipo down – hole. Il cross hole viene impiegato per acquisire informazioni più in profondità e cioè laddove la tecnica down – hole introduce troppi errori di misura. Metodi di interpretazione del down-hole La differenza principale tra le due tipologie consiste nel considerare o meno le possibili variazioni del raggio sismico nel percorso sorgente-ricevitore.

36 Metodo diretto Il metodo diretto consiste nel diagrammare i tempi di tragitto misurati t OSS lungo il percorso sorgente- ricevitore in funzione della profondità z. I t OSS devono essere corretti per tenere conto dellinclinazione del percorso delle onde. Lequazione che permette tale correzione, funzione della profondità di investigazione, è la dove z = profondità di investigazione r = la distanza tra la sorgente e la tripletta di sensori d = la distanza tra sorgente e asse foro. Calcolati i nuovi tempi corretti per le onde P ed S si potrà realizzare il grafico tempo-profondità e procedere al fitting. La velocità media delle onde sismiche relativa a strati omogenei di terreno sarà rappresentata dalla pendenza dei segmenti di retta che meglio seguono il fitting dei punti sperimentali.

37 Metodo intervallo Il metodo intervallo consiste nel misurare i tempi di tragitto dellonda sismica (velocità intervallo) fra due ricevitori consecutivi posti a differente profondità. Rispetto al metodo diretto, consente una maggiore definizione del profilo di velocità. La velocità delle onde sismiche P ed S tra due ricevitori consecutivi è uguale a: dove r1 = distanza tra la sorgente e il primo ricevitore r2 = distanza tra la sorgente e il secondo ricevitore t1 = tempo di tragitto corretto tra la sorgente e il primo ricevitore t2 = tempo di tragitto corretto tra la sorgente e il secondo ricevitore.

38 Metodo intervallo sommatoria modificato Nel metodo intervallo sommatoria o modificato si assume che i sismostrati sono sub-orizzontali e che le onde sismiche generate si propagano dalla sorgente ai ricevitori attraverso ogni strato, con velocità propria. Il modello tempo-profondità si basa su un tempo sorgente- ricevitore dato dal contributo di ciascuno strato. Analiticamente il tempo di percorso di due ricevitori separati da una distanza nota è dato dalle equazioni: dove ti,r1 e ti,r2 = tempi di tragitto al ricevitore superficiale li1,r = lunghezza del percorso del raggio nello j-esimo strato di i VJ = velocità del j-esimo strato. Quindi, utilizzando la velocità degli strati superiori e lintervallo di tempo misurato tra i due ricevitori, il tempo di tragitto al ricevitore più profondo è dato dalla equazione Calcolato il tempo di tragitto tra la sorgente e i due ricevitori, bisogna definire la lunghezza del tragitto dellonda elastica in ciascuno strato. Tale grandezza può essere determinata, conoscendo gli spessori di ciascuno strato, mediante la Sulla base di queste informazioni la velocità delle onde sismiche ad ogni profondità di misura è data dallequazione

39 Metodo tragitto - legge di Snell Le metodologie di interpretazione dei dati sismici down-hole fin qui esaminati presentano tutte lo stesso limite: il calcolo si basa ammettendo che londa sismica si propaghi in maniera rettilinea e che durante il tragitto sorgente-ricevitore non subisca variazioni di percorso. Ciò è in parte vero, quando i terreni non presentano discontinuità latero-verticali e la velocità si mantiene costante. Nella realtà i terreni sono tuttaltro che omogenei, anzi sono sempre caratterizzati da almeno una variazione verticale di velocità, e da frequenti e marcate anisotropie laterali (soprattutto nei sottosuoli lavici), e ciò complica maggiormente linterpretazione dei dati. Se il contrasto di impedenza sismica tra due strati è molto elevato, può essere necessario misurare tempi tragitto più brevi a profondità maggiori rispetto a quelli misurati più in superficie. Per ovviare a questi inconvenienti e per avere un più realistico profilo di velocità bisogna, pertanto, applicare al percorso sorgente-ricevitore la legge di Snell.

40 Esempio di restituzione Down - Hole

41 A)Velocità intervallo B)Moduli elastici C)Poisson D)Impedenza sismica E)Rifrazione e Riflessione A BC DE

42 Esempio di restituzione sismica superficiale SH

43 SE VOGLIAMO esagerare..

44 Il valore del VS30 = m/sec suolo tipo B SEZIONI TOMOGRAFICHE VP VSH E DENSITA GEOFISICA

45 SEZIONI TOMOGRAFICHE MODULI ELASTICI

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48 TOMO SISMICA PER INVESTIGAZIONI PROFONDE

49 TOMO SISMICA IN SITUAZIONI DI DISSESTO

50 METODI NON INVASIVI PER LA CARATTERIZZAZIONE ELASTICA DEI TERRENI MEDIANTE ONDE SUPERFICIALI Il maggior interesse da parte dei progettisti al parametro Vs e lesigenza di ricavarlo rapidamente ed a minore costo ha spinto numerosi studiosi a sviluppare metodi alternativi alle prove tradizionali in foro. I metodi alternativi sviluppati consistono nellanalisi delle onde superficiali di Rayleigh. Le nuove tecniche hanno lindubbio vantaggio di essere di rapida esecuzione e poco costose, ma hanno linnegabile sfavore di non dare misure dirette della velocità di taglio.

51 La ricerca fin qui condotta ha avuto come risultato quello di mettere a punto nuove procedure di acquisizione dati e diverse metodologie di analisi basate sulle proprietà dispersive delle onde superficiali, che sommariamente sono distinguibili in: prove sismiche attive e prove sismiche passive. Esistono diverse procedure di acquisizione e di elaborazione dati, ma anche se tra loro diverse, le tecniche attive e passive nel calcolo delle Rayleigh, hanno in comune lo stesso procedimento per la definizione del parametro Vs a diverse profondità, che può essere cosi riassunto: 1)definizione della velocità di propagazione delle onde di superficie per le diverse frequenze (curva di dispersione sperimentale); 2) calcolo della curva di dispersione teorica attraverso la formulazione del profilo di velocità delle onde di taglio verticali Vs (definizione del modello iniziale di velocità); 3) modifica della curva teorica: cioè si variano opportunamente lo spessore H, la velocità delle onde di taglio Vs e la densità di massa r degli strati che costituiscono il modello del suolo, fino al raggiungimento di una sovrapposizione ottimale tra la velocità di fase sperimentale (o curva di dispersione teorica) e la velocità di fase numerica (o curva di dispersione sperimentale) corrispondente al modello di suolo (processo dinversione). E CIOE

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53 METODI ATTIVI Tra i metodi di sismica attiva più comunemente utilizzati si hanno: Prova sismica a due stazioni SASW (acronimo dellinglese Spectral Analysis of Surface Waves); Prova sismica multicanale MASW (acronimo dellinglese Multichannel Analysis of Surface Waves). Procedura sperimentale di una prova SASW: 1. disposizione dei sensori e predisposizione della sorgente sismica; 2. impostazione dei parametri di registrazione; 3. analisi della qualità ed archiviazione delle serie temporali; 4. calcolo della curva di dispersione; 5. calcolo del profilo 1D delle Vs. LIMITI DELLA PROVA SASW Il metodo tradizionale SASW presenta numerosi limiti che hanno prodotto un suo minore utilizzo a favore dei metodi che utilizzano disposizioni geometriche di molti ricevitori. Il limite principale consiste nella difficoltà di separare i singoli modi: ovvero se il modo fondamentale è contaminato da modi superiori la prova stessa perde di significato. Inoltre, la prova SASW è parecchio condizionata dal rumore di fondo e dallimpossibilità di escluderlo dalle misure. Ciò rende questa prova poco impiegabile in ambito urbano. Ulteriori limitazioni sono legate allimpossibilità di misurare simultaneamente una vasta gamma di frequenze, alla limitata capacità di risoluzione a bassa frequenza e alla sostanziale interferenza near-field. Gli effetti near-field diventano molto significativi in caso di suoli inversamenti dispersivi.

54 Procedura sperimentale di una prova MASW: 1.disposizione dei sensori e redisposizione della sorgente sismica; 2. impostazione dei parametri di registrazione; 3. analisi della qualità ed archiviazione delle serie temporali; 4. calcolo della curva di dispersione; 5. calcolo del profilo 1D delle Vs. A titolo di esempio, si riporta uno studio sperimentale eseguito in un sito costituito da terreni alluvionali in cui è stata allestita una prova MASW con 16 geofoni verticali distanti 2 metri e aventi frequenza propria pari a 4,5 Hz. Per la prova sono state adoperate due sorgenti differenti: la prima è un grave di 30 kg lasciato cadere da unaltezza di 1,5 metri, la seconda è un martello con una massa battente di 10 kg che impatta su una piastra in alluminio. Nella figura 5.37 è mostrata lanalisi spettrale eseguita in ciascun ricevitore del segnale sismico ottenuto con la caduta del grave. Risulta evidente che il contento in frequenza è di circa 10 Hz. La seconda tipologia di sorgente ha invece prodotto uno spettro di energia avente frequenza intorno a 20 Hz (figura 5.38).

55 QUALITA DEI SEGNALI IN FASE DI ACQUISIZIONE

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57 CALCOLO DELLA CURVA DI DISPERSIONE I segnali sismici registrati secondo le procedure prima descritte vengono analizzati nel dominio f-k (frequenza-numero donda) o p-f (lentezza-frequenza), al fine di calcolare la curva di dispersione sperimentale delle onde di Rayleigh, successivamente elaborata nel processo dinversione. La velocità di fase viene ricercata nei piani f-k o f-p individuando le coppie (f, k o p, f) per le quali si ha la massima potenza o ampiezza spettrale.

58 UNAPPLICAZIONE DEL METODO MASW Di seguito si riporta unapplicazione di una prova MASW finalizzata alla definizione del parametro Vs30. La prova ha interessato terreni sedimentari costituiti da alluvioni sovrastanti substrato argilloso. La prova è stata così condotta: 1. Definizione della geometria di acquisizione 24 geofoni 4,5 Hz; spaziatura tra i geofoni 2 metri; offset sorgente sismica primo ricevitore: 2 m, 6 m, 10 m. 2. Configurazione del sistema di registrazione dati (sismografo) Campionatura segnali 1000 Hz e geofoni 4,5 Hz; Durata registrazione 2 s; Numero di campioni 2048.

59 3. Sismogrammi relativi alla distanza (D) sorgente-ricevitori pari a 10 m;

60 4. Calcolo della curva di dispersione sperimentale nel piano V fase frequenza;

61 5. Processo dinversione; Definizione del modello di velocità iniziale; Calcolo della curva di dispersione teorica e confronto con la curva sperimentale; Profilo di velocità finale;

62 6. Calcolo del Vs30 e definizione del suolo tipo

63 METODI PASSIVI I metodi passivi si basano sulla determinazione della curva di dispersione attraverso le misure e lanalisi spettrale dei microtremori. Il microtremore inteso come rumore sismico ambientale (sorgente sismica estesa), è costituito prevalentemente da onde di superficie ed è generato da sorgenti naturali (vento, mare ed attività antropica). Pertanto, contrariamente ai metodi attivi, laddove il rumore sismico ambientale è visto come un disturbo, nelle prove passive è invece la condizione necessaria che consente di effettuare le misure. Ciò rende le prove passive molto utilizzate nellambito della caratterizzazione dei profili Vs in ambiente urbano. Rispetto alle prove di sismica attiva quelle passive hanno il vantaggio di estendere la profondità dinvestigazione fino a oltre 100 metri, ed è questo il motivo per il quale tali tecniche vengono prevalentemente utilizzate ai fini della risposta sismica locale e per lindividuazione di strutture profonde.

64 Tra le tecniche di simica passiva maggiormente utilizzate per la determinazione della curva di dispersione, ricordiamo: Analisi f-k o p-f per stendimenti lineari; SPAC (acronimo dellinglese Spatial Autocorrelation) e disposizione geometrica di un triangolo equilatero con una stazione al centro della circonferenza iscritta.

65 CONFRONTO SPERIMENTALE TRA Analisi f-k o p-f per stendimenti lineari

66 Metodo SPAC Il metodo SPAC adopera una disposizione geometrica circolare dei sensori geofonici. Una modifica alla disposizione prevista nel metodo originale, consiste nel valutare diversi stendimenti con raggi diversi. Va comunque detto che per potere applicare lo SPAC modificato occorrono molte stazioni e grandi spazi. Nella pratica comune è più facile applicare il metodo tradizionale per il quale sono richiesti al massimo quattro sensori.

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68 TABELLA DI CONFRONTO INDAGINI PER LA STIMA DELLE VS

69 Conclusioni e considerazioni ………………………..LA rivista americana dimostra che non si possono fare facili generalizzazioni. Ogni evento tellurico può essere diverso dal precedente, pur se colpisce lo stesso territorio. La conoscenza della resistenza dei terreni di fondazione rimane ovviamente fondamentale, ma purtroppo non esaurisce il problema. «Infatti, non lo esaurisce» spiega ancora l Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale -OGS «perché le vibrazioni causate da un terremoto non si propagano in maniera simmetrica e regolare, come i cerchi che si formano nellacqua dopo aver gettato un sasso. La sorgente emette più energia (e diversi tipi di onde) in certe direzioni e meno in altre; molto dipende da come si è rotta la faglia in profondità e da come la rottura sismica si è propagata lungo questa grande frattura, anche DI decine di chilometri». Quali gli insegnamenti che si possono trarre da questo studio, per un Paese a rischio sismico come lItalia, provata ultimamente dal forte sisma abruzzese? «Non affidare - la prevenzione dei danni solo alla valutazione della potenziale pericolosità dei terreni di fondazione, ma adottare cautela anche nei confronti di possibili forti effetti di sorgente. Purtroppo, questi ultimi non sono prevedibili a priori, ma è bene si sappia che i parametri di progetto in vigore in Europa danno già abbastanza affidamento. Le norme sismiche sono state infatti formulate sulla base dellesperienza, ossia di centinaia di registrazioni di terremoti di ogni tipo. La variabilità delle vibrazioni pericolose dovuta allemissione dellenergia in profondità è quindi già contenuta nelle regole antisismiche, anche se magari non se ne era ben compresa lorigine». Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale – OGS di Trieste ?

70 Considerazioni sulle metodologie per la definizione del suolo tipo Da quanto accennato precedentemente sulle tecniche per il calcolo del Vs30 si evince che: - Peculiarmente, i metodi diretti di misurazione delle Vs (Down, cross Hole, rifrazione superficiale SH e Cono sismico) risultano più precisi soprattutto quando lungo la verticale sismostratigrafica possono essere presenti inversioni di velocità. - Per suoli fortemente anisotropi le tecniche f-k attive (MASW, ecc..) devono essere eseguite con cautela (prove geotecniche dirette) e controllando sempre se esiste dispersione, durante le fasi di acquisizione in campagna. - Le tecniche f-k passive vanno bene in contesti urbani e consentono profondità di investigazione superiori ai 30 metri necessari. Anche queste necessitano un controllo dei dati in campagna per verificare la presenza di frequenze di sorgenti passive, tali da consentire la definizione dei primi 30 metri.

71 In contesti geologici particolari - Aree sismogeneticamente attive - Faglie - Suoli sedimentari scadenti disomogenei - Effetti topografici e di bordo E OPPORTUNO UN CALCOLO SPECIFICO DELLO SPETTRO DI RISPOSTA DEL SITO MEDIANTE LE TECNICHE PRIME DESCRITTE PER SUOLI REALI


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