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Metodi ed indagini propedeutici alla microzonazione sismica
Dott. Geol. Roberto De Ferrari
Dip.Te.Ris.-
Università
di Genova
CORSO DI AGGIORNAMENTO PER GEOLOGI18 – 19 Ottobre 2011
STUDI DI MICROZONAZIONE SISMICA: TEORIA E APPLICAZIONI
Spin-off
dell’Università
di Genova
3 livelli di approfondimento:
1° livello di tipo qualitativoCarta delle microzone omogenee in prospettiva sismica
permette di individuare e delimitare le aree soggette ad effetti sismici locali
2° livello di tipo semiquantitativo permette di determinare il valore del Fattore di amplificazione
(Fa) tramite l’uso di curve di correlazione
3° livello di tipo quantitativocondotta con approccio numerico e/o sperimentale, permette di definire gli spettri di risposta del sito e il Fattore di amplificazione
INDIRIZZI E CRITERI PER LA MICROZONAZIONE SISMICA
DPC ‐
2008
Metodi ed indagini propedeutici alla microzonazione
sismica
Livelli MS Metodi Indagini
1° livello di tipo qualitativoRaccolta datiAnalisi critica datiAnalisi topograficheRedazione carte
GeologicheGeomorfologicheLitotecnicheGeofisiche (Vp/Vs)Morfologiche
2° livello di tipo semiquantitativoRicostruzione profili Vs – HRicostruzione profili topograiciMetodi semplificati (Abachi)
GeognosticheGeofisiche (Vp/Vs)Topografiche
3° livello di tipo quantitativoAnalisi risposta sismica locale mediante (HVSR, SSR)Definizione input sismicoModelli numerici 1D/2DCalcolo dei Fa
GeognosticheGeofisiche (Vp/Vs)
Indirizzi e Criteri per la Microzonazione
Sismica 2008
L’applicazione
di
una
sollecitazione
dinamica
ad
un
mezzo
continuo
produce
vibrazioni che si trasmettono nel mezzo sotto forma di onde sismiche.
La sorgente può essere di tipo meccanico, elettro‐magnetico, etc. superficiale o
interna
al
mezzo.
Le
sorgenti
meccaniche
possono
essere
naturali(terremoti,
moto
ondoso,
vento)
o
artificiali
(esplosioni,
installazioni
di
pali,
fondazioni
di
macchine vibranti, traffico, etc.) e operano in differenti campi
di frequenza.
Onde sismiche: riferimenti teorici
Onde sismiche: riferimenti teorici
L’energia trasferita dalla sorgente al mezzo si propaga nel terreno sotto forma di vari tipi di onde.
La distinzione tra i vari tipi di onde viene effettuata in base alla:
•presenza o meno di una frontiera nel mezzo: mezzo
infinitamente esteso (onde di volume) e mezzo semi-infinito (onde di superficie)
•direzione di propagazione
•al moto degli elementi del mezzo rispetto alla direzione di propagazione
Onde sismiche: riferimenti teoriciONDE DI VOLUME
Quando le onde sismiche si propagano all’interno di un mezzo infinitamente esteso (sorgente interna al mezzo) si definiscono ONDE DI VOLUME e si propagano secondo fronti d’onda sferici.
Le onde di volume sono di due tipi:ONDE P(onde longitudinali o di compressione o primae) ONDE S(onde trasversali o di taglio o secundae)
Le onde P producono vibrazioni polarizzate nella direzione di
propagazione e deformazioni di compressione o estensione.
Le onde S producono vibrazioni polarizzate in direzione
perpendicolare alla direzione di propagazione e deformazioni di taglio
Onde sismiche: riferimenti teorici
ONDE DI SUPERFICIE
Nel caso di un mezzo seminifinito
(come il terreno), quando le onde di volume (prodotte da una sorgente interna al mezzo) raggiungono la frontiera generano le ONDE DI SUPERFICIE, che si propagano attraverso la superficie stessa. Le onde di superficie sono principalmente di due tipi:
•ONDE DI RAYLEIGH
•ONDE DI LOVE.
Le onde di Love producono vibrazioni orizzontali polarizzate nella direzione perpendicolare alla direzione di propagazione e deformazioni di taglio.
Le onde di Rayleigh
producono vibrazioni che sono la risultante di una vibrazione polarizzata su un piano verticale, in direzione perpendicolare alla direzione di propagazione, e di una vibrazione orizzontale polarizzata lungo la direzione di propagazione. Il moto risultante è ellittico retrogrado. La deformazione indotta è sia di taglio che di compressione.
Onde sismiche: riferimenti teorici
ONDE DI RAYLEIGH
Nel campo delle misure sismiche, specie per i “metodi superficiali”
(MASW, Nakamura) le onde di Rayleigh
assumono un ruolo fondamentale.
Tali onde si propagano secondo fronti d’onda cilindrici con legge d’attenuazione r-0.5
(con r distanza dalla sorgente). Invece le onde di volume si attenuano con legge 1/r all’interno del mezzo e 1/r2sulla superficie.
Lungo la superficie le onde di Rayleigh
si attenuano meno rapidamente delle
onde di volume
In generale la velocità
delle onde sismiche dipende dalle caratteristiche fisiche (densità) e meccaniche (modulo di Young, coefficiente di Poisson, etc.) del mezzo attraverso cui si propagano e dalla frequenza, f dell’onda (v = λ·f).
In un mezzo omogeneo elastico la velocità
di propagazione delle onde sismiche è
indipendente dalla frequenza (onde non dispersive). In tal caso valgono le seguenti relazioni tra le velocità
di propagazione delle onde P, Vp, onde S, Vs, e onde superficiali (Rayleigh), Vr
in condizioni di far field:
Velocità
delle Onde Sismiche
Velocità
delle Onde Sismiche
–La velocità
delle onde P è
sempre maggiore di quella delle onde S.–Il rapporto tra la velocità
delle onde P e
la velocità
delle onde S dipende solo dal coefficiente di Poisson
e varia tra √2 e
∞.–La velocità
delle onde di Rayleigh
è
prossima alla velocità
delle onde S varia tra 0.874 VS
e 0.955 VS
in funzione del coefficiente di Poisson
Per = 0VP = VS
(0.5)
VR
= 0.874 VS
Per = 0.5VP = ∞
VR
= 0.955 VS
Quando le onde sismiche attraversano la roccia o un terreno omogeneo (poco smorzante) si possono con buona approssimazione considerare non dispersive nel campo delle piccole deformazioni (dominio elastico lineare) e delle basse frequenze, e si possono quindi applicare le relazioni precedenti.
Nel caso delle misure sismiche le frequenze dell’eccitazione (1-10 Hz) e l’ampiezza massima delle deformazioni indotte (< 0.0001%) sono tali da potere applicare tale
Per terreni non saturi e rocce il rapporto tra le velocità
delle onde P e S da misure sismiche risulta:VP
VS
≈
1.5 ÷2.0
Velocità
delle Onde Sismiche
MISURE SISMICHE IN FORO
⌧Prove down-hole DH
⌧Prove cross-hole
CH
⌧Prove col cono sismico, Seismic
Cone
Penetration
Test SCPT
MISURE SISMICHE SUPERFICIALI
ATTIVE⌧ Rifrazione onde P e Onde SH (Onde di volume)
⌧ MASW –
SASW (Onde superficiali)
PASSIVE⌧ Metodo Nakamura (Onde superficiali)
⌧Metodo REMI⌧Array
sismici
MISURE SISMICHE IN SITO
Determinazione del profilo di Velocità
delle Onde sismiche attraverso l’integrazione di metodi di indagine attiva e passiva
Esempio 1 : MASW + Misure di microtremore (HVSR)Dati disponibili: •Stratigrafia completa (sondaggi geognostici
spinti fino al substrato roccioso)•S.P.T.
in foro
Caratteristiche geologiche: depositi
fluvio‐lacustri
normalconsolidati
MASW 24 geofoni da 4.5 Hz Acquisizione
segnale
Elaborazione (Phase
Shift)
Picking
manuale curva di dispersione
Sensori Lennartz
5s –
Acquisitori MarsLite
Analisi spettrale delle tre componenti del segnale acquisito
Stima dei rapporti spettrali H/V per ciascuna
finestra di segnale e definizione della curva
H/V media (curva di ellitticità)
Determinazione della frequenza fondamentale
del sito di indagine:
f0 = 1.8 Hz
Misure di microtremore
Stima qualitativa del valore di Vs
dei terreni soprastanti il substrato
roccioso (nota la profondità
dell’interfaccia coltre / substrato roccioso)
mediante applicazione della formula empirica
hVf4
S0
f0 = 1.8 Hz
h = 26 m V s = 187 m/s
Questo valore rappresenta una stima approssimativa ma affidabile
alla
velocità
media di propagazione delle onde S all’interno dei terreni
soprastanti l’interfaccia che costituisce il contrasto di impedenza
principale del sito investigato
(coltre alluvionale/substrato roccioso)
Misure di microtremore / Metodo Nakamura
Profilo di Vs
ottenuto da metodo tipo forward
modelling
(software Dinver
V. 1.3.5 del pacchetto Geopsy)
Modello del terreno (spessore strato superficiale), Vp, Vs, Rapporto Poisson, densità
dei materiali
Curva di dispersione sperimentale ottenuta dal picking
manuale del diagramma velocità
di fase/frequenza
Curva di ellitticità
(curva media H/V) sperimentale ottenuta dallle
misure di microtremore
Valore della frequenza di risonanza del sito ottenuta dall’analisi della curva H/V media
Confronto tra curva sperimentale e teorica da modello
(dispersione/ellitticità) (Forward
modelling)Definizione del modello di velocità
Vs
Valori compatibili con
applicazione metodo
semplificato da HVSR
Dati di partenza per la stima del profilo di Vs
Esempio 2 : Rifrazione SH + MASW + Misure di microtremore (Nakamura)Dati disponibili: •Stratigrafia parziale (sondaggi geognostici
fino a profondità
superficiali)•S.P.T.
in foro
Caratteristiche geologiche: materiale
alluvionale recente e sedimenti pliocenici su
rocce metamorfiche
Sismica a rifrazione -
Tomografia sismica in onde SH
Acquisizione 24 geofoni
orizzontali per le onde SH da 4.5 Hz
Profondità limitata15 -16 m da p.c.
Misure di microtremore / Metodo Nakamura
Determinazione della
frequenza fondamentale del
sito di indagine:
f0 = 1.2 ‐1.5
Hz
Curva di dispersione MASW
Profilo VsOttenuto da inversione congiunta MASW e Nakamura
Fianco destro del picco di risonanza ottenuto dalla curva H/V
Grafico Velocità
di fase / Frequenza
Esempio 3 : Rifrazione P/SH + Misure di microtremore (Nakamura)Dati disponibili: •Stratigrafia parziale (sondaggi geognostici
spinti fino al substrato roccioso)•S.P.T.
in foro
Caratteristiche geologiche: coltre detritica
potente (frana attiva) in versante Substrato roccioso flysch
cretaceo
hV
f4
S0
Misure di microtremore / Metodo Nakamura
Due misure in prossimità
di sondaggi
che raggiungono il substrato roccioso
Sismica a rifrazione -
Tomografia sismica in onde P/SH
Acquisizione 24 geofoni
verticali per le onde P da 4.5 HzDistanza intergeofonica
4 m -
92 m complessivi
Profondità di indagine Onde P e SH 30m da p.c.
Fino al Substrato roccioso
Vantaggi e svantaggi metodi di indagine
P- P- P-
Uso delle Misure di Microtremore (Metodo Nakamura)a scopi di Microzonazione
sismica
Vantaggi
Misura sperimentale della risposta sismica locale
Individuazione della presenza di evidenti effetti di amplificazione locale
Misure relativamente speditive
Svantaggi
Problemi “tecnici”
delle misure
Limiti di applicabilità
(Contrasto di impedenza)
Individuazione di effetti in campo lineare (diversi da effetti durante terremoto forte)
Metodo NakamuraORIGINE E NATURA DEL RUMORE (noise
sismico)
Fenomeni oceanici e
meteorologici a larga scala
Effetti del vento e condizioni
meteorologiche locali
Attività antropiche
•Sorgenti lontane
•Onde di superficie
•Onde di Rayleigh
•Modo fondamentale
•Sorgenti vicine
•Onde di superficie e onde di volume
•Onde di Rayleigh e di Love
•Modo fondamentale e modi superiori
Alto contrasto di impedenza (Ix
/ Iy
> 2) Ix
= x
Vs2x
Metodo Nakamura
Comune di Coreglia
Antemilminelli
–
Località
Ghivizzano
Indagini Progetto DOCUP 2000‐2006
‐
Regione Toscana
•RILEVAMENTO GEOLOGICO‐GEOMORFOLOGICO
• N°
3 PROFILI SISMICA A RIFRAZIONE ONDE P‐SH
•N°
3 SONDAGGI GEOGNOSTICI
•N°
3 PROVE DOWN‐HOLE
Uso delle misure di microtremore per scopi di microzonazione
Esempio : località
Ghivizzano, comune di Coreglia
Antelminelli
(LU)
Metodo Nakamura : risultati
Mappa delle frequenze di risonanza
UTILIZZO DELLA METODOLOGIA Nakamura
SIDefinizione preliminare di f0
Verifica riproducibilità
dei risultati
Estensione su di un’area di misure puntuali (sondaggi/downhole, stazioni sismiche temporanee)
Accordo con misure indipendenti
Correlazione f0
edifici ↔ f0
suolo
Applicazione esclusiva per definizione f0 e risposta sismica
di un sito (effetti 2D/3D)
Analisi esclusiva curva H/V
Curva H/V noise
= Funzione di trasferimento
Definizione della stratigrafia di un sito
UTILIZZO IN STUDI DI MICROZONAZIONE
NO
Criticità
e limiti di applicabilità
metodologia Nakamura
esperienze pratiche ed esempi:
1 Rumore antropico Monocromatico2 Contrasto di impedenza debole (gradiente di velocità) e effetti 2D/3D3 Terreno a grana fine ad alto contenuto d’acqua4 Effetto del vento5 Differenti condizioni barometriche
Per
una
corretta
stima
della
reale
accuratezza
e
precisione
dei
risultati
ottenuti
attraverso l’applicazione della metodologia Nakamura è SEMPRE
necessario
riportare
oltre ovviamente alla curva H/V:
•Il tipo di strumentazione impiegata
•Le condizioni ambientali e la tipologia di installazione
•Gli spettri di Fourier
Bojano
(CB) – pompeCastelnuovo
–
prossimità
cartiera
Caso 1: Rumore antropico Monocromatico
Caso 2: Contrasto di impedenza debole (gradiente di velocità) e effetti 2D/3D
Conoide di La Salle
(AO)
H/V noise
H/Href
Caso 3: Terreno a grana fine ad alto contenuto d’acqua
Coreglia
Antelminelli
23m
550 m/s
Misura in terra Asfalto
Caso 4: Effetto del vento
Licciana Nardi (MS)
Quiete Vento
Caso 5: differenti condizioni barometriche
Piana di Gubbio
Rapporti HV noise Spettri di Fourier
MODELLO GEOFISICO
CONOSCENZA DEI VALORI DI VSqualsiasi metodo di indagine presente in letteratura (invasivo o
non invasivo scelto dal geologo sulla base del modello geologico), in grado di fornire un modello geofisico del sottosuolo attendibile
in relazione alla situazione geologica del sito
SCHEDE DI VALUTAZIONE LITOLOGICHE
Abachi
MODELLO GEOLOGICO +
VALORE DI Fa (STRATIGRAFICO) con grado di approssimazione ±
0.1
INDIRIZZI E CRITERI PER LA MIROZONAZIONE SISMICA
II LIVELLO –
INDIRIZZI E CRITERI DPC 2008
ANALISI DI RISPOSTA SISMICA LOCALE III LIVELLO :
POSSIBILI APPROCCI
METODI SPERIMENTALI
RSM (Borcherdt 1970)
HVSR (Bonilla et al., 1997)
METODI NUMERICI
1D – SHAKE91
2D Quad 4M - Flac
STIMA DEGLI EFFETTI DI AMPLIFICAZIONE SISMICA LOCALE
PROCEDURA SEMI AUTOMATICA CALCOLO DEI FATTORI DI
AMPLIFICAZIONE
Fa
CALCOLO FATTORI DI AMPLIFICAZIONE STRATIGRAFICA
Ss / Fa
E TOPOGRAFICA St / FaFa può essere calcolato a partire da diversi parametri, può essere
calcolato in diversi modi e ne consegue che possa essere scelto il tipo di Fa più
utile in funzione delle previsione di espansione urbanistica. Ss e St sono esclusivamente vincolati all’affidabilità
delle misure dei parametri da cui dipendono.
METODI SPERIMENTALI / NUMERICI III livello : ESEMPIOVILLACOLLEMANDINA (LU) ha un valore di Pga
di riferimento di 0,20g
7 STAZIONI FISSE
26 PUNTI MISURA
Mappa del bedrock
Vs = 4h / F0
Mappa della Frequenza fondamentale
Fo (microtremori e terremoti)
METODI SPERIMENTALI / NUMERICI III livello : ESEMPIO
S2
RISULTATI APPROCCIO SPERIMENTALE CONFRONTO CON APPROCCIO NUMERICO 1D
Fa = 5.7
Modello 1D Fa = 2.3
EFFETTI NON 1DLegati alla morfologia sepolta
EFFETTI BACINO
METODI SPERIMENTALI / NUMERICI III livello : ESEMPIO
RISULTATI APPROCCIO SPERIMENTALE CONFRONTO CON APPROCCIO NUMERICO 2D
METODI SPERIMENTALI / NUMERICI III livello : ESEMPIO
Modello 2D
Modello 1D