COMUNE DI SAN LAZZARO DI SAVENA P O C PIANO OPERATIVO COMUNALE VARIANTE (L.R. 24 marzo 2000, n art. 30) Relazione geologica e sismica

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1 COMUNE DI SAN LAZZARO DI SAVENA P O C PIANO OPERATIVO COMUNALE VARIANTE (L.R. 24 marzo 2000, n art. 30) Relazione geologica e sismica Elaborato SL.POC.7bis Adozione D.C.C. n. 46 del 19/07/2012 Approvazione D. C.C. n. 21 del 28/05/2013 Il Sindaco Marco MACCIANTELLI Il Segretario Generale Lea MARESCA Il Dirigente della 5^ Area Andrea MARI 5 Area Programmazione del territorio - Settore Pianificazione e Controllo del Territorio Gruppo di lavoro: Arch. Andrea MARI Geom. Oronzo FILOMENA Ing. Deborah CAVINA Geom. Cosetta GIOVANNINI Geom. Fabrizio LOMBARDO Ing. Fernanda CANINO Giulia LOLLI Collaborazioni: Dott.geol. Beniamino Costantini Ing. Alessandro SANTONI

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3 dott. geol. Beniamino Costantini Via Franchetti 2 - Bologna Tel Relazione geologica 1 Normativa di riferimento. Pag Premessa. 3 3 Condizioni geologiche e morfologiche. 3 4 Caratteri del primo sottosuolo Condizioni idrologiche. 5 5 Analisi sismica Introduzione. 5 6 Modellazione monodimensionale. 6 6:1 Metodologia di studio Segnale di input Profilo di velocità Modulo di rigidezza e smorzamento Sintesi dei dati di input. 10 6:6 Risultati. 11 Allegato: Indagine geofisica 1

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5 dott. geol. Beniamino Costantini Via Franchetti 2 - Bologna Tel Relazione geologica 1 - Normativa di riferimento Decreto Ministeriale Testo Unitario - Norme Tecniche per le Costruzioni Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici - Istruzioni per l applicazione delle Norme tecniche per le costruzioni di cui al D.M. 14 gennaio Circolare 2 febbraio Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici - Pericolosità sismica e Criteri generali per la classificazione sismica del territorio nazionale. - Allegato al voto n. 36 del Eurocodice 8 (1998) - Indicazioni progettuali per la resistenza fisica delle strutture Parte 5: Fondazioni, strutture di contenimento ed aspetti geotecnici (stesura finale 2003) Eurocodice 7.1 (1997) - Progettazione geotecnica Parte I : Regole Generali. - UNI Eurocodice 7.2 (2002) - Progettazione geotecnica Parte II : Progettazione assistita da prove di laboratorio (2002). UNI Eurocodice 7.3 (2002) - Progettazione geotecnica Parte II : Progettazione assistita con prove in sito(2002). UNI PSAI Autorità di Bacino Fiume Reno Piano stralcio per il bacino del Torrente Samoggia - Tavole e relazioni di progetto PSC Comune di San Lazzaro di savena Tavole e relazioni di progetto 2

6 dott. geol. Beniamino Costantini Via Franchetti 2 - Bologna Tel Relazione geologica 2 - Premessa Scopo della presente relazione è quello di svolgere un analisi sismica di III livello su un area sita in Viale Gelsi, frazione di Ponticella, nel territorio comunale di San Lazzaro di Savenabove è in progetto la realizzazione del nuovo nido, previa demolizione dell esistente Fig. 1 Foto aerea L area oggetto di intervento è identificata nel repertorio cartografico R.E.R. sull elemento n San Lazzaro di Savena alla scala 1:5.000 (Fig. 2). Alla caratterizzazione del primo sottosuolo, sotto i profili litostratigrafico e idrologico si è risaliti utilizzando i dati di stratigrafie di sondaggi e/o pozzi, realizzati in aree limitrofe, attinte dal database regionale di indagini geognostiche. Per la caratterizzazione sismica del sito è stata eseguita un indagine geofisica utilizzando la tecnica dei microtremori (Re.Mi.) supportata dalla tecnica dell analisi delle onde di superficie (MASW) e la tecnica HVSR (Horizontal-Vertical Spectral Ratio). 3 Condizioni geologiche e morfologiche L area in esame si colloca in destra idrografica del Torrente Savena, ad una quota di circa 78 m s.l.m. Più precisamente trova spazio nella zona di fondovalle, a ridosso del margine appenninicopadano, su un deposito alluvionale terrazzato di ordine b 2-3 (Fig. 3 - Aes8 a /Unità di Modena) costituito da ghiaie e sabbie prevalenti generalmente passanti verso l alto a limi. L esame morfologico effettuato in tale contesto riferisce di un piccolo lotto ad andamento pianeggiante all interno di un territorio fortemente urbanizzato. In questo tratto, il corso del Torrente Savena alterna tratti ad andamento meandriforme a tratti ad andamento rettilineo ed incide fortemente il materasso alluvionale ed il substrato roccioso. Il corso del Savena, in corrispondenza dell area l alveo ha una sezione di m e le scarpate fluviali (h=2 3 m) si presentano ad andamento verticale e/o sub-verticale in buona parte protette da massi erratici e/o manufatti (rivestimenti a mò di scivoli in c.a) ed obliterate da vegetazione spontanea causa la prolungata assenza di interventi manutentivi. Sotto il profilo geologico va segnalato che i luoghi si inseriscono nel dominio dei depositi marini databili, secondo la cartografia ufficiale, Serravalliano Sup. -Pliocene Inferiore. Più precisamente l area è allocata al passaggio tra 2 Unità geologiche rappresentate dalle formazioni delle Marne del Termina (Fig. 3 - TER) e dalle Argille Azzurre (Fig. 3 - FAA) inserite entrambi nella classe litotecnica delle argille, argille marnose e argille siltose strutturalmente ordinate, stratificate, con eventuale rara presenza di livelli arenitici. 3

7 dott. geol. Beniamino Costantini Via Franchetti 2 - Bologna Tel Relazione geologica TER Marne del Termina AES8a Unità di Modena FAA Argille Azzurre Fig. 3 Stralcio cartografia geologica RER 4 - Caratteri del primo sottosuolo L'analisi di stratigrafie reperite dall'archivio della Regione Emilia Romagna ha permesso, utilizzando i dati dei sondaggi P453 e P471, spinti fino alla profondità di 30 metri, di ricavare per l area in esame una stratigrafia rappresentata da una coltre alluvionale costituita da livelli di limi, ghiaie e sabbie potente 4 5 m posta a copertura di un substrato marnoso. Tale successione litologica è stata evidenziata anche dall indagine sismica che ha permesso di elaborare la seguente colonna litostratigrafica di riferimento (vedi tabella a lato). Da metri a metri Spessore Descrizione metri Vs m/sec 0 1,5 1,5 Limo sabbioso 260 1,5 2,8 1,3 Ghiaia e sabbia 320 2,8 4,5 1,7 Ghiaia e sabbia 290 4,5 6,7 2,2 Argilla 690 6,7 9,5 2,8 Argilla 640 9,5 12,5 3 Argilla ,5 14,5 2 Argilla ,5 16,8 2,3 Argilla ,8 19,6 2,8 Argilla ,6 21,5 1,9 Argilla 660 > 21.5 Marne del Termina > 800 Tabella 1: Dati stratigrafici e sismici del profilo utilizzato nella modellazione 4

8 Fig. 1 - Ubicazione dell'area sulla Carta Tecnica Regionale. Elemento San Lazzaro di Savena

9 dott. geol. Beniamino Costantini Via Franchetti 2 - Bologna Tel Relazione geologica 4.1 Condizioni idrogeologiche I dati idrogeologici noti per questo territorio indicano la presenza di una falda superficiale alimentata dalle acque di subalveo del Torrente Savena Dalle misure effettuate in campagne geognostiche precedenti si evince la presenza di una falda freatica il cui pelo libero è posto ad una profondità di circa 2 m dal p.d.c.attuale. 5 Analisi sismica Introduzione La Regione Emilia Romagna con Delibera dell'assemblea legislativa progr. n.112, oggetto n.3121 del 2 maggio 2007 ha definito gli Indirizzi per gli studi di microzonazione sismica per la pianificazione territoriale e urbanistica. Nel terzo livello di approfondimento sono richiesti i seguenti elaborati:! Perimetrazione dettagliata delle aree oggetto delle indagini;! spettri di risposta riferiti a tali aree, per un periodo di ritorno di 475 anni con smorzamento _= 5% e le mappe di amplificazione in termini di: 1) PGA/PGA 0 ; 2) SI/SI 0. La PGA è la massima accelerazione orizzontale (Peek Ground Acceleration) alla superficie risultante dallo studio di risposta sismica locale, mentre PGA 0 è l'accelerazione massima orizzontale al suolo di riferimento, definito per ogni comune, ricavabile dal data base regionale. SI è l'intensità di Housner definita come: dove PSV è lo spettro di risposta in velocità calcolato alla superficie del sito in studio, per smorzamento del 5 %, T1 e T2 sono i periodi dello spettro presi come riferimento. SI 0, come per la PGA, è l'intensità di Housner al suolo di riferimento, definito anch'esso per ogni comune, e ricavabile dagli accelerogrammi che, come vedremo più avanti, vengono forniti per ogni comune della Regione Emilia Romagna. Negli studi di risposta sismica locale (RSL) è necessario valutare gli effetti della topografia. La delibera 5

10 dott. geol. Beniamino Costantini Via Franchetti 2 - Bologna Tel Relazione geologica sopra citata al punto A2.2 indica che gli effetti topografici possono essere trascurati per pendii con inclinazione media inferiore a 15, di conseguenza nel presente studio essi saranno omessi. 6 Modellazione monodimensionale 6.1 Metodologia di studio Lo studio di RSL viene svolto utilizzando un software per modellazioni numeriche monodimensionali di propagazione dell'onda sismica, in particolare il codice EERA (Equivalent linear Earthquake Respons Analysis) sviluppato nel 1998 (Bardet et al., 2000) utilizzando i concetti di base di Shake. Si tratta, in sintesi, di una moderna implementazione di concetti ben noti di analisi lineare equivalente della risposta di sito. Per maggiori dettagli si rimanda alla descrizione del software EERA disponibile anche in italiano 1. Per svolgere il calcolo sono necessari:! Un segnale di input;! Un profilo di velocità del sottosuolo di indagine;! Le curve di decadimento del modulo di rigidezza al taglio e di variazione dello smorzamento per i diversi terreni costituenti il sottosuolo in studio. 6.2 Segnale di input I segnali da utilizzare nelle analisi di terzo livello sono forniti dalla Regione Emilia Romagna per ogni comune e sono rappresentativi dello scuotimento atteso su un suolo di riferimento, inteso come la superficie al di sotto della quale si può assumere una velocità di propagazione delle onde di taglio (Vs) superiore o uguale a 800 m/s. Per il comune di San Lazzaro di Savena l'accelerazione massima orizzontale di picco al suolo (a refg ), espressa in frazione dell'accelerazione di gravità g, è pari a 0,172. Di seguito vengono indicati i nomi dei file contenenti i segnali di riferimento da utilizzare per il comune di San Lazzaro di Savena ed il relativo accelerogramma (time history). 1 Analisi monodimensionale di un sottosuolo stratificato. Descrizione del software EERA Università degli Studi di Napoli Federico II, Polo delle Scienze e delle Tecnologie Facoltà di Ingegneria. ( %20SRA/Manuale%20EERA%20italiano.pdf) 6

11 dott. geol. Beniamino Costantini Via Franchetti 2 - Bologna Tel Relazione geologica xa_037054SanLazzaroDiSavena.xy Acceleration (g) Time (sec) xa_037054SanLazzaroDiSavena.xy Acceleration (g) Time (sec) xa_037054SanLazzaroDiSavena.xy Acceleration (g) Time (sec) 7

12 dott. geol. Beniamino Costantini Via Franchetti 2 - Bologna Tel Relazione geologica 6.3 Profilo di velocità Il profilo di velocità deriva da specifiche indagini eseguite nell'area in studio ai cui report (vedi allegato) si rimanda per un'illustrazione dettagliata delle metodologie di indagine e dei relativi risultati, e dall'analisi di stratigrafie e profili geologici reperiti dall'archivio della Regione Emilia Romagna. Il bedrock sismico è stato individuato alla profondità di 21,5 metri e corrisponde, geologicamente, al tetto della porzione inalterata della formazione delle Marne del Termina. La sintesi delle suddette indagini è espressa in termini di velocità delle onde di taglio nella tabella 1. Da metri a metri Spessore Descrizione metri Vs m/sec 0 1,5 1,5 Limo sabbioso 260 1,5 2,8 1,3 Ghiaia e sabbia 320 2,8 4,5 1,7 Ghiaia e sabbia 290 4,5 6,7 2,2 Argilla 690 6,7 9,5 2,8 Argilla 640 9,5 12,5 3 Argilla ,5 14,5 2 Argilla ,5 16,8 2,3 Argilla ,8 19,6 2,8 Argilla ,6 21,5 1,9 Argilla 660 > 21.5 Marne del Termina > 800 Tabella 2: Dati stratigrafici e sismici del profilo utilizzato nella modellazione. Figura 4: Grafico del profilo di velocità delle onde di taglio desunto da indagini 8

13 dott. geol. Beniamino Costantini Via Franchetti 2 - Bologna Tel Relazione geologica 6.4 Modulo di rigidezza e smorzamento Sulla base delle risultanze dello studio geologico e del profilo da esso derivato sono state individuate 3 tipologie di terreni alle quali sono state attribuite le relative curve di decadimento del modulo di rigidezza al taglio e della variazione dello smorzamento, opportunamente scelte tra quelle disponibili in bibliografia e di seguito esposte G/Gmax Shear Modulus Damping Ratio Damping Ratio (%) Shear Strain (%) 0 Figura 5: Limo sabbioso (Vucetic & Dobry, JGE 1/91) Suolo n G/Gmax Shear Modulus Damping Ratio Damping Ratio (%) Shear Strain (%) 0 Figura 6: Ghiaie (Seed et al.,1986) Suolo n G/Gmax Shear Modulus Damping Ratio Damping Ratio (%) Shear Strain (%) Figura 7: Argille (Idriss 1990) Suolo n.1 9

14 dott. geol. Beniamino Costantini Via Franchetti 2 - Bologna Tel Relazione geologica 6.5 Sintesi dei dati di input La sintesi dei dati di input è contenuta nella tabella seguente nella quale sono indicati i layer utilizzati nella discretizzazione del sottosuolo di indagine, indicando per ognuno di essi lo spessore, la velocità delle onde di taglio e la tipologia di suolo. Per la definizione degli spessori dei layer sono state utilizzate le condizioni contenute nel manuale del software EERA, che indicano gli spessori massimi da assegnare all'elemento in funzione della massima frequenza significativa del segnale in ingresso. Layer Number Soil Material Type Number of sublayers in layer Thickness of layer (m) Maximum shear modulus G max (MPa) Initial critical damping ratio (%) Total unit weight (kn/m 3 ) Shear wave velocity (m/sec) Surface BedRock

15 dott. geol. Beniamino Costantini Via Franchetti 2 - Bologna Tel Relazione geologica Risultati Le analisi monodimensionali sono state svolte utilizzando i tre segnali definiti dalla banca dati della Regione Emilia Romagna con i riferimenti teorici e le caratterizzazione di sito esposte nelle pagine precedenti. I risultati sono in prima approssimazione sintetizzabili nei tre accelerogrammi (time History) esposti di seguito, i quali costituiscono la risposta alla superficie topografica, in termini di storia temporale delle accelerazioni, allo specifico input imposto al tetto del bedrock sismico. Acceleration (g) Time (sec) Figura 8: Risposta in superficie per il segnale di input xa Acceleration (g) Time (sec) Figura 9: Risposta in superficie per il segnale di input xa 11

16 dott. geol. Beniamino Costantini Via Franchetti 2 - Bologna Tel Relazione geologica Acceleration (g) Time (sec) Figura 10: Risposta in superficie per il segnale di input xa Passando dal dominio del tempo al dominio delle frequenze (periodi) la risposta sismica viene espressa dapprima in termini di trasformata di Fourier e quindi di spettro di risposta per un dato smorzamento, che nel caso in questione è del 5%. Gli spettri di risposta in accelerazione relativi alle tre modellazioni monodimensionali sono riportati nella figura seguente. Nella stessa figura sono anche riportati gli spettri per le diverse categorie di sottosuolo derivati dall applicazione della procedura semplificata delle NTC (Norme Tecniche per le Costruzioni, D.M.14/01/08). I fattori di amplificazione vanno sintetizzati come rapporto tra il segnale in superficie e il segnale in input in termini di PGA e SI. Nelle due tabelle seguenti sono esposti i suddetti rapporti per i singoli segnali utilizzati e come media tra i tre risultati ottenuti. 12

17 dott. geol. Beniamino Costantini Via Franchetti 2 - Bologna Tel Relazione geologica Media PGA 0 0,172 0,172 PGA 1 0,276 0,237 0,264 0,259 FA PGA 1,60 1,38 1,53 1,51 Tabella Media FA SI(0,1-0,5 sec) 1,497 1,406 1,514 1,472 FA SI(0,5-1,0 sec) 1,076 1,061 1,067 1,068 Tabella 4 Dal confronto tra le accelerazioni spettrali risultanti dalle modellazioni monodimensionali e gli spettri di risposta di normativa, e dall'analisi dei fattori di amplificazione, si possono trarre le seguenti considerazioni: - la presenza del substrato sismico a modesta profondità determina amplificazioni alle basse frequenze che, in termini di periodo, si concentrano tra 0,1 e 0,5 sec, mentre agli alti periodi (0,5-1,0 sec) non si hanno modificazioni significative. - il tratto orizzontale dello spettro di normativa, ossia il tratto di massima accelerazione spettrale, non coincide con i periodi (frequenze) di massima accelerazione risultanti dalle modellazioni; in particolare si osservano picchi a basso periodo che derivano, come già detto, dalla configurazione stratigrafica locale, ma anche dal contenuto in alte frequenze (bassi periodi) dell input sismico; - con esclusione della modellazione relativa all'input xa, che mostra una buona corrispondenza con lo spettro relativo alla categoria di sottosuolo B, i massimi valori di amplificazione si hanno a frequenze comprese tra 6,5 e 8 Hz con ampiezze anche di molto superiori a quanto previsto dagli spettri delle NTC. Bologna, luglio 2012 Dott. Geol. Beniamino Costantini Ordine Regione Abruzzo n

18 dott. geol. Beniamino Costantini Via Franchetti 2 - Bologna Tel Relazione geologica In allegato sono esposti i dati tabellari dei singoli spettri di risposta in spostamento, velocità e accelerazione. 14

19 dott. geol. Beniamino Costantini Via Franchetti 2 - Bologna Tel Relazione geologica SPETTRO DI RISPOSTA ELASTICO xa SanLazzarodiSavena Period (sec) Pseudo Relative Velocity (cm/s) Pseudo Absolute Acceleration (g) Relative Displacement (cm) Absolute Acceleration (g) Relative Velocity (cm/s) Time for Maximum Absolute Acceleration (sec) Time for Maximum Relative Velocity (sec) Time for Maximum Relative Displacement (sec)

20 dott. geol. Beniamino Costantini Via Franchetti 2 - Bologna Tel Relazione geologica

31 COMUNE DI SAN LAZZARO DI SAVENA PROVINCIA DI BOLOGNA REALIZZAZIONE DEL NUOVO NIDO IN VIALE GELSI NELLA FRAZIONE DI PONTICELLA INDAGINI GEOFISICHE PER LA CARATTERIZZAZIONE DEI TERRENI DI FONDAZIONE MEDIANTE TECNICA SISMICA MASW-RE.MI. E HVSR Committente Studio di Geologia Dott. Costantini Beniamino Via Costiera 3/A Forlì (FC) Via Franchetti, Bologna Tel/Fax: info@geoexploration.net elaborato revisione data /07/2012 redatto Ing. G. Mainardi revisionato Dott. Geol. D. Peraccini verificato Dott. A. E. Bracci

32 Sommario 1 INDICAZIONI GENERALI DETERMINAZIONE DEL PARAMETRO P VS Analisi con Metodo Re.Mi. (Refraction Microtremors) Modalità operative e risultato ottenuto Analisi i con metodo sismico MASW Modalità operative e risultato ottenuto PROSPEZIONI SISMICHE CON TECNICA HVSR Principio di funzionamento Strumentazione Restituzione dei risultati CONCLUSIONI Appendici APPENDICE 1 UBICAZIONE INDAGINE SISMICA APPENDICE 2 CURVA DI DISPERSIONE (Re.Mi.) APPENDICE 3 PROFILO VERTICALE VS (Re.Mi.) APPENDICE 4 CURVA DI DISPERSIONE (MASW) APPENDICE 5 PROFILO E ANDAMENTO VERTICALE VS (MASW) APPENDICE 6 ELABORATO HVSR APPENDICE 7 FOTO ACQUISIZIONE DATI 1

33 1 INDICAZIONI GENERALI Su incarico del Dott. Geol. Beniamino Costantini è stata eseguita un indagine geofisica con metodo sismico utilizzando la tecnica dei microtremori (Re.Mi.) supportata dalla tecnica dell analisi delle onde di superficie (MASW) e la tecnica HVSR (Horizontal-Vertical Spectral Ratio). La prospezione era finalizzata ad ottenere la diagrafia delle velocità sismiche delle onde di taglio per la determinazione della Vs30 (tramite Re.Mi. e Masw) e la caratterizzazione sismica di sito tramite la stima delle frequenze fondamentali di risonanza (tramite HVSR) per la progettazione del nuovo asilo nido in località Ponticella, nel Comune di San Lazzaro di Savena (BO). L'acquisizione dei dati sismici è stata effettuata nel giorno mercoledì 27 giugno Nel presente rapporto sono descritte le metodologie impiegate, sono elencate le attrezzature utilizzate ed infine sono descritti gli elaborati finali ottenuti. 2

34 2 DETERMINAZIONE DEL PARAMETRO P VS30 L Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri N. 3274/2003 e successive modifiche ed integrazioni, ha introdotto in Italia la nuova normativa tecnica in materia di progettazione antisismica. La caratterizzazione geotecnica dei terreni dal punto di vista sismico, richiede come elemento indispensabile la conoscenza del profilo delle velocità delle onde di taglio Vs degli strati del terreno presenti nel sito di studio, fino alla profondità di almeno 30 metri dal piano campagna (parametro Vs30). Il parametro Vs30 rappresenta quindi la velocità media di propagazione delle onde di taglio entro 30 m di profondità e viene calcolata con la seguente espressione: dove hi e Vi indicano lo spessore (in m) e la velocità delle onde di taglio (per deformazioni di taglio γ < 10-6 ) dello strato i-esimo, per un totale di N strati presenti nei 30 m superiori. La normativa, sulla base del suddetto profilo, fornisce una classificazione dei suoli suddivisa nelle tipologie A, B, C, D, E ed S1, S2: A- Ammassi rocciosi affioranti o terreni molto rigidi caratterizzati da valori di Vs30 superiori a 800 m/s, eventualmente comprendenti in superficie uno strato di alterazione, con spessore massimo pari a 3m. B- Rocce tenere e depositi di terreni a grana grossa molto addensati o terreni a grana fina molto consistenti con spessori superiori a 30 m, caratterizzati da un graduale miglioramento delle proprietà meccaniche con la profondità e da valori di Vs30 compresi tra 360 m/s e 800 m/s (ovvero NSPT > 50 nei terreni a grana grossa e cu,30 > 250 kpa nei terreni a grana fina). C- Depositi di terreni a grana grossa mediamente addensati o terreni a grana fina mediamente consistenti con spessori superiori a 30 m, caratterizzati da un graduale miglioramento delle proprietà meccaniche con la profondità e da valori di Vs30 compresi tra 180 m/s e 360 m/s (ovvero 15 < NSPT < 50 nei terreni a grana grossa e 70<cu,30<250 kpa nei terreni a grana fina). D- Depositi di terreni a grana grossa scarsamente addensati o di terreni a grana fina scarsamente consistenti con spessori superiori a 30 m, caratterizzati da un graduale miglioramento delle 3

35 proprietà meccaniche con la profondità e da valori di Vs30 inferiori a 180 m/s (ovvero NSPT < 15 nei terreni a grana grossa e cu,30<70 kpa nei terreni a grana fina). E- Terreni dei sottosuoli di tipo C o D per spessore non superiore ai 20 m posti sul substrato di riferimento (con Vs > 800 m/s). S1- Depositi di terreni caratterizzati da valori di Vs30 inferiori a 100 m/s (ovvero 10<cu,30<20 kpa), che includono uno strato di almeno 8 m di terreni a grana fina di bassa consistenza, oppure includono almeno 3 m di torba o di argille altamente organiche. S2- Depositi di terreni suscettibili di liquefazione, di argille sensitive o qualsiasi altra categoria di sottosuolo non classificabile nei tipi precedenti. Per misurare le velocità delle onde di taglio si possono eseguire rilievi in foro di sondaggio meccanico con tecnica downhole se si dispone di un foro singolo o cross-hole fra due fori oppure prospezioni sismiche mediante stendimenti superficiali utilizzando geofoni orizzontali con opportune energizzazioni del terreno o tramite geofoni verticali analizzando la dispersione delle onde di superficie. 2.1 Analisi con Metodo Re.Mi. (Refraction Microtremors) Questa tecnica, nota con la sigla Re.Mi., permette di ricostruire il profilo verticale delle Vs con procedimenti di modellazione diretta delle velocità di fase delle onde relative ai rumori sismici locali, rifratte alla superficie. Nell approccio teorico si utilizzano le onde superficiali di Rayleigh per la determinazione dei parametri di comportamento meccanico dei terreni a bassi livelli di deformazione, modulo di taglio e coefficiente di smorzamento, e si basa sulle proprietà dispersive che queste onde subiscono durante l attraversamento di tali terreni. Le onde di Rayleigh costituiscono un particolare tipo di onde superficiali che si trasmettono sulle superficie libera di un mezzo isotropo e omogeneo, e sono il risultato dell interferenza tra onde di pressione P e di taglio S. In un mezzo stratificato queste onde sono di tipo dispersivo e vengono definite di pseudo-rayleigh o di superficie. La dispersione è una deformazione di un treno d onde dovuta ad una variazione di propagazione di velocità con la frequenza, le componenti a frequenza minore penetrano più in profondità rispetto a quelle a frequenza maggiore. 4

36 Il calcolo del profilo delle velocità delle onde Rayleigh, Velocità/frequenza può essere convertito mediante opportuno software in profilo Velocità/profondità. La metodologia permette di raggiungere livelli di profondità generalmente compresi fra 1/4 e 1/3 della lunghezza dello stendimento dei geofoni. Lo studio analitico del metodo Re.Mi. consente di operare favorevolmente in ambienti fortemente inquinati da rumori urbani e/o industriali. Una volta determinate le velocità delle onde di taglio fino alla massima profondità raggiunta, si calcola una media pesata dei valori delle Vs di ogni strato per una profondità di 30 metri dal piano campagna (o dal piano di posa delle fondazioni prescelto) e con tale parametro è possibile catalogare il sito nella classe di riferimento dell ordinanza in oggetto Modalità operative e risultato ottenuto L indagine sismica è stata eseguita utilizzando 24 geofoni verticali con frequenza naturale di 4,5 Hz infissi nel terreno ad intervalli regolari di 3 metri per una lunghezza complessiva dello stendimento pari a 69 metri. I dati sono stati registrati mediante un sismografo Geometrics GEODE a 24 canali con filtri disinseriti, velocità di campionamento (sample rate) di 2 millisecondi e lunghezza delle acquisizioni di circa 32 secondi. Complessivamente sono stati registrati 10 files ad intervalli irregolari nell arco di circa 1 ora di tempo (in Appendice 7 si riportano le foto dell acquisizione dati). L elaborazione restituisce un grafico che riporta la curva della dispersione con un immagine a colori che mostra i valori di lettura delle velocità/frequenza (vedasi Appendice 2) ed il profilo delle velocità delle onde di taglio con l indicazione della Vs30 calcolata, espressa in metri/secondo (vedasi App. 3). Il valore Vs30 per la classificazione sismica dei terreni di fondazione è risultato essere di 615 metri/secondo che rientra nella tipologia B : Rocce tenere e depositi di terreni a grana grossa molto addensati o terreni a grana fina molto consistenti con spessori superiori a 30 m, caratterizzati da un graduale miglioramento delle proprietà meccaniche con la profondità e da valori di Vs30 compresi tra 360 m/s e 800 m/s (ovvero NSPT > 50 nei terreni a grana grossa e cu,30 > 250 kpa nei terreni a grana fina). 5

37 2.2 Analisi con metodo sismico MASW MASW è l'acronimo di Multi-channel Analysis of Surface Waves (Analisi Multicanale di Onde di Superficie). Ciò indica che il fenomeno che si analizza è la propagazione delle onde di superficie. Più specificatamente si analizza la dispersione delle onde di superficie (cioè il fatto che frequenze diverse - ovvero lunghezze d'onda diverse - viaggiano a velocità diversa). Il principio base è piuttosto semplice: le varie componenti (frequenze) del segnale sismico che si propaga viaggiano ad una velocità che dipende dalle caratteristiche del mezzo. Le lunghezze d'onda più ampie (ovvero le frequenze più basse) sono influenzate dalla parte più profonda, mentre le piccole lunghezze d'onda (le frequenze più alte) dipendono dalle caratteristiche della parte più superficiale (vedi Figura 1) Figura 1 Profondità d indagine d e lunghezza d onda sismica Poiché tipicamente la velocità delle onde sismiche aumenta con la profondità, ciò si rifletterà nel fatto che le frequenze più basse (delle onde di superficie) viaggeranno ad una velocità maggiore rispetto le frequenze più alte. Quindi la tipica curva di dispersione si presenta secondo un trend del genere riportato nella seguente Figura 2. 6

38 Figura 2 Curva di disperzione delle onde di superficie (MASW) La profondità Z è calcolata attraverso la lunghezza d onda massima dove: Z = λmax/2 λmax = V/f, V è la velocità di fase (m/s) e f e la frequenza (hz) Tradizionalmente le MASW sono effettuate tramite analisi delle onde di Rayleigh (che vengono registrate tramite i comuni geofoni a componente verticale - quelli usati per la comune rifrazione in onde compressionali e considerando una comunissima sorgente ad impatto verticale. Questo avviene perchè la propagazione e dispersione delle onde di Rayleigh si verifica senza problemi anche in caso di canali a bassa velocità (inversioni di velocità) che, come sappiamo, risultano invisibili per la rifrazione (i cui risultati vengono anzi inficiati dalla presenza di inversioni di velocità). Poichè la dispersione delle onde di superficie dipende dalle caratteristiche del sottosuolo (dalle sue variazioni verticali), dalla determinazione delle curve di dispersione è possibile ricavare le caratteristiche del mezzo (i parametri fondamentali sono la velocità delle onde di taglio e lo spessore degli strati). 7

39 Una volta determinate le velocità delle onde di taglio fino alla massima profondità raggiunta, si calcola una media pesata dei valori delle Vs di ogni strato per una profondità di 30 metri dal piano campagna (o dal piano di posa delle fondazioni prescelto) e con tale parametro è possibile catalogare il sito nella classe di riferimento dell ordinanza in oggetto Modalità operative e risultato ottenuto L indagine sismica è stata eseguita utilizzando 24 geofoni verticali con frequenza naturale di 4,5 Hz infissi nel terreno ad intervalli regolari di 3 metri per una lunghezza complessiva dello stendimento pari a 69 metri. I dati sono stati registrati mediante un sismografo Geometrics GEODE a 24 canali con filtri disinseriti, velocità di campionamento (sample rate) di millisecondi e lunghezza delle acquisizioni di circa 1 secondi. Complessivamente sono stati registrati 2 files il primo con energizzazione in offset di 6 m e il secondo con energizzazione in offset di 3 m, successivamente si è scelta la registrazione migliore per l elaborazione con offset di 6 m. L elaborazione restituisce un grafico che riporta la curva di dispersione con un immagine a colori che mostra i valori di lettura delle frequenza/velocità (vedasi Appendice 4) ed il profilo delle velocità delle onde di taglio con l indicazione della Vs30 calcolata, espressa in metri/secondo (vedasi Appendice 5). In Appendice 7 si riportano le foto dell acquisizione dati. Il valore Vs30 per la classificazione sismica dei terreni di fondazione è risultato essere di 604 metri/secondo che rientra nella tipologia B : Rocce tenere e depositi di terreni a grana grossa molto addensati o terreni a grana fina molto consistenti con spessori superiori a 30 m, caratterizzati da un graduale miglioramento delle proprietà meccaniche con la profondità e da valori di Vs30 compresi tra 360 m/s e 800 m/s (ovvero NSPT > 50 nei terreni a grana grossa e cu,30 > 250 kpa nei terreni a grana fina). 8

40 3 PROSPEZIONI SISMICHE CON TECNICA HVSR Le misure sismiche H.V.S.R. o H/V (Horizontal to Vertical Spectral Ratio) sono indagini geofisiche a stazione singola finalizzate alla caratterizzazione sismica di sito tramite la stima delle frequenze fondamentali di risonanza. L attuale normativa antisismica italiana ricalca l Eurocodice 8, il quale a sua volta ha recepito in toto la normativa californiana, che prevede di fornire una base quantitativa per la classificazione dei suoli intermini di effetti di sito attraverso la determinazione della velocità delle onde S nei primi 100 piedi (30metri nel sistema metrico decimale). Le misure a stazione singola del tremore sismico portano, attraverso i rapporti spettrali, alla misura immediata della frequenza di risonanza del sottosuolo e con l inversione delle misure H/V permettono di stimare in maniera rapida sia la stratigrafia superficiale che il Vs30. Figura 3 Esempio di diagramma H/V 9

41 3.1 Principio di funzionamento Il metodo HVSR è una tecnica a stazione singola, si effettua cioè per mezzo di un singolo sismometro tricomponente a larga banda e alta sensibilità che viene posto sul terreno e campiona il rumore sismico per alcuni minuti. Le basi teoriche della tecnica HVSR si rifanno in parte alla sismica tradizionale (riflessione, rifrazione, diffrazione) e in parte alla teoria dei microtremori. Le basi teoriche dell H/V sono facilmente comprendibili in un mezzo del tipo strato + bedrock (o strato assimilabile al bedrock) in cui i parametri sono costanti in ciascuno strato (modellazione 1-D). Con questa configurazione si ricava la frequenza di risonanza (fr) dello strato relativa alle onde S: Teoricamente questo effetto è sommabile cosicché la curva H/V mostra come massimi relativi le frequenze di risonanza dei vari strati. Questo, insieme ad una stima delle velocità che è solitamente disponibile almeno a livello di massima, è in grado di fornire previsioni sullo spessore h degli strati (Castellaro, 2008). Questa informazione è per lo più contenuta nella componente verticale del moto ma la prassi di usare il rapporto tra gli spettri orizzontali e quello verticale, piuttosto che il solo spettro verticale, deriva dal fatto che il rapporto fornisce un importante normalizzazione del segnale per il contenuto in frequenza, la risposta strumentale e l ampiezza del segnale quando le registrazioni vengono effettuate in momenti con rumore di fondo più o meno alto. La normalizzazione, che rende più semplice l interpretazione del segnale, è alla base della diffusione del metodo. La situazione, nel caso di un suolo reale, è però più complessa. Innanzitutto il modello di strato piano al disopra del bedrock si applica molto raramente. Inoltre la velocità aumenta con la profondità, possono esserci eterogeneità laterali importanti ed infine la topografia può non essere piana. L inversione delle misure di tremore a fini stratigrafici, nei casi reali, sfrutta quindi la tecnica del confronto degli spettri singoli e dei rapporti H/V misurati con quelli sintetici, cioè con quelli calcolati relativamente al campo d onde completo di un modello 3D (Mulargia et al, 2008). L interpretazione è tanto più soddisfacente, e il modello tanto più vicino alla realtà, quanto più i dati misurati e quelli sintetici sono vicini. Inoltre uno dei problemi principali di questa visione è che i microtremori sono solo in partecostituiti da onde di volume, P o S. Essi sono costituiti in misura molto maggiore da onde superficiali e in particolare da onde di Rayleigh, tuttavia ci si può ricondurre a risonanza delle onde di volume poiché le onde di superficie sono prodotte da interferenza costruttiva di queste ultime. Questa tecnologia è stata oggetto del progetto di ricerca SESAME (Site EffectS assessment using AMbient Excitations) ed a questo si rimanda per le linee guida della tecnica H/V spectral ratio ( 10

42 3.2 Strumentazione HVSR La strumentazione utilizzata è costituita dal sensore triassiale PASI Gemini-2, che ottimizza la misura del microtremore grazie ad un sensore con frequenza nominale di 2Hz di frequenza naturale ad alta sensibilità. Il sensore è costituiti da 3 canali con configurazione: Z = verticale, X = nord-sud, Y= est-ovest che trasmette il segnale ad un sistema di acquisizione digitale. Il sensore utilizza elementi di alta stabilità e l'assemblaggio nel contenitore garantisce una ortogonalità assoluta degli elementi. Il moto del terreno è amplificato, convertito in forma digitale, organizzato e salvato su una memoria digitale di tipo Flash. Da questa il segnale può essere trasferito ad un PC dove, mediante il codice di calcolo Grilla appositamente sviluppato, che archivia, analizza e permette la revisione del segnale. Le caratteristiche tecniche dello strumento sono riportate nella scheda seguente. Figura 4 - Specifiche tecniche PASI Gemini-2 11

43 3.3 Restituzione dei risultati Le prestazioni che possono essere fornite al Committente 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. Si dovranno adottare adeguate precauzioni nell edificare edifici aventi la stessa frequenza di vibrazione del terreno per evitare l effetto di doppia risonanza estremamente pericoloso per la stabilità degli stessi; - la frequenza fondamentale di risonanza di un edificio qualora la misura venga effettuata all interno dello stesso. In seguito sarà possibile confrontarla con quella caratteristica del sito e capire se in caso di sisma la struttura potrà essere o meno a rischio; La frequenza di risonanza di sito (f0), a meno di una certa variabilità, presenta un picco principale posto a 7,56 +/- 1,08 Hz. Tutte le analisi effettuate sono riportate in Appendice 6, mentre in Appendice 7 sono riportate alcune foto dello strumento in fase di acquisizione. 12

44 4 CONCLUSIONI In conformità con le indicazioni della NTC 2008 è stata predisposta, su incarico del Dott. Geol. Beniamino Costantini, la presente indagine geofisica per fornire elementi validi all analisi del sito sul quale verrà edificato un nuovo plesso scolastico. A supporto della progettazione geotecnica è stata eseguita un indagine geofisica con metodo sismico utilizzando la tecnica combinata Re.Mi.-MASW e la tecnica HVSR. Per il profilo verticale della velocità delle onde sismiche di taglio (Vs) e per la stima del parametro Vs30 sono state utilizzate sia la tecnica Re.Mi. che Masw per aver una maggiore certezza del dato acquisito. Pur non essendoci sostanziali differenze tra i risultati ottenuti riteniamo che sia da prendere in considerazione il profilo verticale fornito dal Re.Mi. (vedi Appendice 3) perché delinea più chiaramente la situazione litostratigrafica superficiale. Per la classificazione sismica dei terreni di fondazione, il valore della Vs30 è risultato essere di 615 m/s per la tecnica Re.Mi. e di 604 m/s per la tecnica MASW, la differenza dei due risultati si può considerare trascurabile e quindi si può confermare che il suolo investigato è di categoria B Rocce tenere e depositi di terreni a grana grossa molto addensati o terreni a grana fina molto consistenti con spessori superiori a 30 m, caratterizzati da un graduale miglioramento delle proprietà meccaniche con la profondità e da valori di Vs30 compresi tra 360 m/s e 800 m/s (ovvero NSPT > 50 nei terreni a grana grossa e cu,30 > 250 kpa nei terreni a grana fina). Infine, la caratterizzazione sismica di sito tramite la stima delle frequenze fondamentali di risonanza (tramite HVSR) presenta picco principale posto a 7,56 +/- 1,08 Hz (f0). In questo caso non si ritiene di ricavare dalla metodologia HVSR il profilo verticale Vs ed il parametro Vs30 in quanto forniti con maggiore affidabilità dalle prove Re.Mi.-MASW. 13

45 Forlì, 2 luglio 2012 Dott. Geol. Diego Peraccini Ordine dei Geologi Regione Emilia Romagna Sezione A - N Dott. Ing. Giuseppe Mainardi Ordine degli Ingegneri Provincia di Ravenna Sezione A Settore A - N GeoExploration S.r.l. Dott. Antonio Edoardo Bracci (Amministratore Unico) 14

46 APPENDICE 1 UBICAZIONE INDAGINE SISMICA 15

47 APPENDICE 2 CURVA DI DISPERSIONE (Re.Mi.) Dispersion Curve Showing Picks and Fit Rayleigh Wave Phase Velocity, m/s Calculated Dispersion Picked Dispersion Period, s p-f Image with Dispersion Modeling Picks 16