H:\GEOFISICA MISURE SNC - Relazioni\Domenico GULLO

PREMESSA
Con riferimento al Progetto: Edificio da adibire ad oratorio, centro parrocchiale e casa canonica in
località Marina di NOVA SIRI (MT), Don Mario LA COLLA ha incaricato la Geofisica Misure
S.n.c. di eseguire una campagna d’indagini geofisiche di superficie, finalizzata alla definizione dei
principali caratteri elastici dinamici dei litotipi presenti nell’area investigata. Per tale scopo è stata
realizzata una prospezione sismica di superficie con metodologia MASW; un’acquisizione
finalizzata alla misurazione del rumore ambientale (microtremori). Il contesto geologico dell’area
investigata vede la presenza di depositi sedimentari eterometrici a vario grado di
addensamento/consistenza, poggianti su un substrato argilloso pliocenico.
CARATTERISTICHE DELLE APPARECCHIATURE
Sismografo modulare Geometrics Geode a 24 canali, con conversione analogico-digitale a 24 bit, ad
elevata dinamica, avente le seguenti caratteristiche principali:
- Range dinamico: 144 dB di sistema.
- Distorsione: 0.0005 % @ 2.0 ms.
-
Banda di acquisizione: 1.75-20.000 Hz.
Accuratezza trigger: 1/32 del passo di campionamento.
Impedenza: 20 Kohm.
Filtri in acquisizione: LowCut: 10, 15, 25, 35, 50, 70, 100, 140, 200, 280, 400 Hz 24/48
dB/Octave, Butterworth. Notch: 50, 60, 180 Hz. HighCut: 32, 64, 125, 250, 500, 1000 Hz
24/48 dB/Octave.
-
Intervallo di campionamento: 0.02, 0.03125, 0.0625, 0.125, 0.25, 0.5, 1.0, 2.0, 4.0, 8.0, 16.0
msec.
-
Lunghezza di registrazione: 16.384 campioni.
Pre-trigger: fino a tutta la lunghezza di registrazione.
Delay: da 0 a 9999 ms in passi di una lunghezza di intervallo.
Per il rilievo della velocità del moto del suolo sono stati utilizzati geofoni Geospace, con frequenza
di oscillazione di 4.5 Hz.
INTERPRETAZIONE MULTICHANNEL ANALYSIS OF SURFACE WAVES (MASW)
E’ stata realizzata una prospezione sismica a 20 canali d’acquisizione, adottando una distanza
intergeofonica di 1 metro. Successivamente è stata eseguita un’elaborazione su un sismogramma
ottenuto da un punto d’energizzazione posto a 6 metri dal primo geofono. I ricevitori (geofoni)
utilizzati hanno una frequenza propria di 4.5 Hz. La tecnica si basa sullo studio della dispersione
della velocità di fase delle onde superficiali di tipo Rayleigh (R), nota in letteratura come
Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW). Il sismogramma è stato oggetto di filtraggio per
l’eliminazione delle alte frequenze e “depurato” dalle onde di volume, al fine di ottenere dei picchi
d’ampiezza nelle oscillazioni relative alle onde di superficie.
Successivamente si è passati alla rappresentazione delle tracce sismiche su un diagramma che mette
in relazione le frequenze con le velocità di fase. Su di esso s’individuano, come zone di massima
ampiezza, gli allineamenti attribuibili alle onde di Rayleigh, da cui si ottiene la variazione delle
velocità di queste ultime con il variare della loro frequenza, o lunghezza d’onda. Essendo la
profondità di propagazione di questo tipo di onde dipendente dalla frequenza, sarà possibile
correlare le velocità alle varie frequenze con le profondità. Quest’ultimo passo, successivo alla
definizione della curva di dispersione, si ottiene mediante un processo d’inversione, che porta al
risultato finale, costituito da un profilo verticale delle velocità delle onde trasversali (Vs), posto al
centro della stesa di geofoni. Le velocità di fase delle onde di Rayleigh (Vr), in un mezzo
omogeneo, sono legate a quelle di volume dalla seguente relazione:
Vr6 – 8Vs2 Vr4 + (24 – 16 Vs2 / Vp2) Vs4 Vr2 + (16 Vs6/Vp6 – 1) Vs6 = 0
In un mezzo non omogeneo le velocità delle onde di volume (Vp e Vs) variano con la profondità.
Le velocità di fase delle onde di Rayleigh mostrano velocità differenti per differenti valori di
frequenza e sono fortemente legate ai valori delle velocità delle onde trasversali. Ciò consente di
passare da modelli frequenza/velocità di fase delle onde di Rayleigh a modelli monodimensionali
Vs/profondità.
Gli elaborati forniti contengono:
•
la curva di dispersione della velocità di fase delle onde R in relazione alla frequenza;
•
il profilo delle Vs al centro dello stendimento fino alla massima profondità di indagine;
•
la tabella dei valori di Vs per orizzonti omogenei di velocità;
la velocità equivalente delle onde di taglio (Vs) fino a 30 metri di profondità.
Interpretazione
Sotto lo strato di riporto/copertura e fino ad una profondità di 5.4 metri, i valori di Vs si
mantengono sotto i 200 m/sec, e possono essere associati a depositi limoso argillosi da poco a
mediamente consistenti. Da -5.4 metri e fino ad una profondità di 11.8 metri, le velocità delle onde
trasversali oscillano tra 221 m/sec e 258 m/sec, e possono essere associati a depositi sedimentari
mediamente addensati.
Sotto gli 11.8 metri e fino ad una profondità di 37 metri, si registrano velocità delle onde S variabili
tra 308 m/sec e 356 m/sec, che sembrano indicare un aumento dello stato di addensamento
all’interno della compagine sedimentaria. Da -37 metri di profondità si riscontrano velocità delle
onde di taglio (Vs) superiori ai 450 m/sec, riferibili presumibilmente al substrato argilloso
pliocenico compatto.
MASW
Curva di dispersione
Curve di inversione
Profilo delle velocità onde S
0
100
200
300
400
500
0
-5
Profondità in metri
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
Velocità in m/sec
Profondità dal p.c.
al centro dello stendimento
(metri)
Velocità delle onde S
(m/sec)
-1.437
143.373
-3.233
145.284
-5.478
195.284
-8.285
221.272
-11.793
258.465
-16.179
308.132
-21.661
343.522
-28.514
356.866
-37.08
345.501
-46.35
462.638
Vs30 = 264 m/sec (velocità equivalente delle onde di taglio fino a 30 metri)
MODULI ELASTICI DINAMICI
I moduli elastici dinamici sono stati calcolati partendo dai valori medi delle velocità delle onde
trasversali (Vs) determinate nel profilo MASW. Per il calcolo delle velocità delle onde longitudinali
(Vp) sono stati adottati opportuni valori dei coefficienti di Poisson. I valori dei pesi di volume (γ)
sono indicativi.
Tabella dei moduli elastici dinamici medi
Terreno di
riporto e di
copertura
Coefficiente di Poisson µ
Velocità onde longitudinali Vp (m/sec)
Velocità onde trasversali Vs (m/sec)
Peso di volume γ (g/cm3)
Modulo di Young Edin (Mpa)
Modulo di Rigidità G (Mpa)
0.360
306
143
1.70
96.4
35.4
Limo argilloso Sabbia mediodebolmente
fine limosa
sabbioso, da mediamente
poco a
addensata
mediamente
consistente
0.420
458
170
1.75
146.4
51.6
Sabbia mediofine limosa, da
mediamente
addensata ad
addensata
Argilla
consistente
0.365
755
348
1.95
657.2
240.7
0.415
1212
462
2.05
1262.3
446.0
0.370
577
262
1.85
354.7
1417.4
SPETTRO DI RISPOSTA ELASTICO IN ACCELERAZIONE LOCALE
Per la valutazione dello spettro di risposta elastico (componente orizzontale e componente verticale)
dell’area investigata, si è fatto riferimento al D.M. del 14 gennaio 2008 (N.T.C.). In base al predetto
D.M., si è fatto riferimento alla “pericolosità sismica di base” del sito in esame, che 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, considerando un sito di riferimento rigido (Categoria A, quale definita al paragrafo 3.2.2. del
D.M.) con superficie topografica orizzontale; nonché di ordinate dello spettro di risposta elastico in
accelerazione ad essa corrispondente Se (T), con riferimento a prefissate probabilità di eccedenza
PVR, come definite nel paragrafo 3.2.1, nel periodo di riferimento VR, come definito nel paragrafo
2.4. L’influenza delle condizioni stratigrafiche locali viene fatta rientrare in 5 Categorie di
sottosuolo standard (Categorie A, B, C, D, E). Nell’ambito di tale classificazione, dai risultati
ottenuti dalle indagini con metodologia Masw eseguite (Vs30 = 264 m/sec) il profilo stratigrafico del
sottosuolo di fondazione del sito investigato (quota di riferimento p.c.) può essere assimilato alla
Categorie C.
Lo spettro di risposta elastico in accelerazione è espresso da una forma spettrale (spettro
normalizzato) riferita ad uno smorzamento convenzionale del 5%, moltiplicata per il valore
dell’accelerazione orizzontale massima ag su un sito di riferimento rigido orizzontale.
Sia la forma spettrale che il valore di ag variano al variare della probabilità di superamento nel
periodo di riferimento PVR. Gli spettri così definiti possono essere utilizzati per strutture con
periodo fondamentale minore o uguale a 4,0 s.
La funzione dello spettro di risposta elastico in accelerazione assume le seguenti espressioni:
1) Componenti Orizzontali
0 ≤ T ≤ TB:
Se (T) = ag x S x η x Fo x{[(T/TB) + 1/(η x Fo)] x [(1 - (T/TB)]}
TB ≤ T ≤ TC :
Se (T) = ag x S x η x Fo
TC ≤ T ≤ TD :
Se (T) = ag x S x η x Fo x (TC/T)
TD ≤ T :
Se (T) = ag x S x η x Fo x [(TC x TD) /(T2)]
Dove:
T e Se sono, rispettivamente, periodo di vibrazione ed accelerazione spettrale orizzontale;
S
è il coefficiente che tiene conto della Categoria di sottosuolo e delle condizioni topografiche,
mediante la relazione S = SS x ST,
essendo SS il coefficiente di amplificazione stratigrafica e ST il coefficiente di
amplificazione topografica;
η
è il fattore che altera lo spettro elastico per coefficienti di smorzamento viscosi
convenzionali ξ diversi dal 5%, mediante la relazione η = √ 10/(5 + ξ) ≥ 0,55;
dove ξ (espresso in percentuale) è valutato sulla base di materiali, tipologia strutturale e
terreno di fondazione;
Fo
è il fattore che quantifica l’amplificazione spettrale massima, sui sito di riferimento rigido
orizzontale, ed ha valore minimo pari a 2,2;
TC
è il periodo corrispondente all’inizio del tratto a velocità costante dello spettro, dato da TC =
CC
x
T*C, dove T*C è il periodo di inizio del tratto a velocità costante dello spettro in
accelerazione orizzontale e CC è un coefficiente funzione della Categoria di sottosuolo);
TB
è il periodo corrispondente all’inizio del tratto dello spettro ad accelerazione costante, dato
da TB = TC/3;
TD
è il periodo corrispondente all’inizio del tratto a spostamento costante dello spettro, espresso
in secondi mediante la relazione TD = (4,0 x ag/g) + 1,6.
2) Componente Verticale
0 ≤ T ≤ TB:
Sve (T) = ag x S x η x Fo x{[(T/TB) + 1/(η x Fv)] x [(1 - (T/TB)]}
TB ≤ T ≤ TC :
Sve (T) = ag x S x η x Fv
TC ≤ T ≤ TD :
Sve (T) = ag x S x η x Fv x (TC/T)
TD ≤ T :
Sve (T) = ag x S x η x Fv x [(TC x TD) /(T2)]
Dove:
T e Sve sono, rispettivamente, periodo di vibrazione ed accelerazione spettrale verticale;
Fv
è il fattore che quantifica l’amplificazione spettrale massima, in termini di accelerazione
orizzontale massima del terreno ag, su sito di riferimento rigido orizzontale, mediante la
relazione: Fv = 1,35 x Fo x (ag/g)0,5.
I valori di ag, Fo, S, η sono uguali a quelli precedentemente definiti per le componenti orizzontali;
mentre i valori di SS, TB, TC e TD, salvo più accurate determinazioni, sono quelli riportati
nella tabella seguente:
Valori dei parametri dello spettro di risposta elastico della componente verticale
Categoria di sottosuolo
SS
TB (sec)
TC (sec)
TD (sec)
A, B, C, D, E
1,0
0,05 s
0,15 s
1,0 s
Risposta sismica:
Categoria di sottosuolo: C;
Categoria Topografica: T1.
ACQUISIZIONE E ANALISI SPETTRALE DEI MICROTREMORI
Premessa
Oltre alle misure delle velocità delle onde S mediante tecniche attive (MASW) si è ritenuto utile
eseguire delle verifiche della risposta sismica di sito attraverso la registrazione e l’analisi di rumore
ambientale (microtremori). Lo scopo dell’indagine con la tecnica dei rapporti spettrali è finalizzata,
in particolare, all’individuazione delle discontinuità sismiche, nonché la profondità del bedrock
geofisico.
I metodi che utilizzano i rapporti spettrali permettono di calcolare alcuni aspetti della funzione di
trasferimento a partire da misure del rumore di fondo. Tali tecniche consistono nella determinazione
dei rapporti tra gli spettri di Fourier tra il segnale registrato in una stazione di riferimento, posta su
substrato rigido locale in condizioni di morfologia pianeggiante, e quello registrato nel sito di
interesse, eventualmente caratterizzato da una copertura “soffice”. In tal modo, si possono valutare
quantitativamente gli aspetti relativi all’amplificazione sismica in funzione della frequenza (metodo
S/R), fermo restando il problema di scala (maggiori ampiezze degli eventi sismici rispetto ai
microtremori e direzione di provenienza del segnale). Per le indagini geofisiche eseguite si è fatto
riferimento alla metodologia basata sulla tecnica di Nakamura e sul rapporto spettrale H/V.
Cenni teorici
La tecnica dei rapporti spettrali o HVSR (Horizontal to Vertical Spectral Ratio) è totalmente non
invasiva e non richiede energizzazioni esterne diverse dal rumore ambientale, che in natura esiste
ovunque. I risultati ottenuti da una registrazione di questo tipo sono:
• la frequenza caratteristica di risonanza del sito che rappresenta un parametro
fondamentale per il corretto dimensionamento degli edifici in termini di risposta
sismica locale, al fine di adottare, in fase di progettazione, idonee precauzioni
nell’edificare edifici aventi la stessa frequenza di vibrazione del terreno, per evitare
l’effetto di “doppia risonanza”, molto pericolosi per la stabilità degli stessi;
• la stratigrafia del sottosuolo con un range di indagine compreso tra 0.50 e 700 m di
profondità, avendo però un dettaglio maggiore almeno nei primi 100 metri di
profondità. Il principio su cui si base la predetta tecnica, in termini di stratigrafia del
sottosuolo, è rappresentato dalla definizione di strato, inteso come un’unità distinta
dalle unità sovrastanti e sottostanti, per contrasto d’impedenza, ossia per il rapporto
tra i prodotti di velocità delle onde sismiche nel mezzo e densità del medesimo
mezzo.
Le basi teoriche della tecnica HVSR si rifanno in parte alla sismica tradizionale (rifrazione,
riflessione, diffrazione) e in parte alla teoria dei microtemori. La forma di un’onda registrata in un
determinato sito da uno strumento dipende: 1) dalla forma del’onda prodotta dalla sorgente s; 2) dal
percorso dell’onda dalla sorgente s al sito in esame (attenuazioni, riflessioni, rifrazioni,
incanalamenti per guide d’onda); 3) dalla risposta ottenuta dalla strumentazione utilizzata.
Il rumore ambientale, presente ovunque sulla
superficie terrestre, è generato dai fenomeni
atmosferici (onde, vento, dall’attività dinamica della terra e dalle attività antropiche. Si chiama
anche microtemore, in quanto riguarda oscillazioni molto più piccole di quelle indotte dagli eventi
sismici (terremoti). I metodi si basano sulla sua acquisizione e si definiscono passivi, poiché non si
genera artificialmente il rumore, come avviene per le tecniche attive.
Nel tragitto dalla sorgente s al sito esaminato, le onde elastiche, sia quelle generate dai terremoti
che i microtremori, subiscono riflessioni, rifrazioni, intrappolamenti per fenomeni di guida d’onda,
attenuazioni dipendenti dalla natura dei terreni attraversati.
Ciò significa che se da un lato l’informazione relativa alla sorgente viene persa, è presente
comunque una parte debolmente correlata nel segnale, che si può estrarre e contiene le informazioni
relative al percorso del segnale, in particolare relative alla struttura locale vicino al sensore. Pertanto
anche un debole “rumore sismico” contiene informazioni. Questa informazione, sepolta all’interno
del rumore casuale, può essere estratta mediante tecniche adeguate.
Una di queste tecniche è la teoria dei rapporti spettrali (HVSR), che consente di fornire stime
abbastanza affidabili delle frequenze principali del sottosuolo di un sito. Le misure di campagna
sono state eseguite con la strumentazione della Lennartz Electronics GmbH LE-3D/5s a tre
componenti (Verticale, Nord-Sud ed Est-Ovest) con frequenza propria di oscillazione pari a 0.2 Hz,
a larga banda spettrale (frequenza di campionamento fino a 100 Hz).
L’analisi spettrale può essere condotta, come nel nostro caso, anche su singole stazioni, ovvero
operando il rapporto spettrale tra le componenti orizzontale e verticale del moto del suolo (metodo
H/V – Nakamura). In questo caso non si ha una stazione di riferimento, ma si assume che la
componente verticale del moto non sia influenzata dagli effetti di amplificazione provocata dalle
coltri lente di ricoprimento. Il metodo produce degli ottimi risultati nel caso di contrasti di
impedenza adeguati tra terreno di copertura e substrato, ma è attendibile solo per la determinazione
della frequenza di risonanza del sito, mentre non è affidabile per quanto concerne la valutazione
quantitativa dell’entità dell’amplificazione.
Il moto sismico è amplificato in corrispondenza di determinate frequenze, che corrispondono alle
frequenze naturali fn di vibrazione dei terreni:
fn = 1/Tn = (Vs x (2n -1)/(4 x H) dove n = 1,2,3,……
mentre risulta ridotto di amplificazione alle frequenze elevate, a causa dello smorzamento del
terreno.
Riveste particolare importanza la prima frequenza naturale di vibrazione del terreno (f1),
denominata frequenza fondamentale di risonanza:
f1 = 1/T1 = Vs/4H
Dal punto di vista empirico è noto che la frequenza di risonanza di un edificio è governata
dall’altezza e può essere calcolata, in maniera approssimativa, con la seguente formula:
Frequenza naturale edificio ≈ 10 Hz/numero di piani
La coincidenza di risonanza tra terreno e struttura può essere particolarmente pericolosa, causando
la massima amplificazione.
Interpretazione
SITO MICRO 1
Sito Micro1. Sismogramma e finestre temporali di calcolo.
I valori dei rapporti spettrali sono stati calcolati per 13 finestre temporali con durata di 20 sec
ciascuna, successivamente mediati e rappresentati in un'unica curva.
Sito Micro 1. Valore medio del rapporto spettrale tra le componenti orizzontale e verticale del moto del suolo.
Si evidenzia un picco di amplificazione molto pronunciato, posto a circa 37.0 Hz, il cui rapporto
H/V è pari a 5.13. Questo picco sembra indicare una discontinuità superficiale (copertura). Si
riscontra un ulteriore picco di amplificazione, meno accentuato, ad una frequenza di 0.6 Hz
(rapporto H/V pari a 3.02), imputabile alla presenza di una discontinuità litologica profonda.