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1 di Pasquale Milano COMUNE DI CASTELLAMMARE DI STABIA (NA) PROSPEZIONE SISMICA A RIFRAZIONE COMMITTENTE 1

2 INDICE - PREMESSA - PROSPEZIONI SISMICHE A RIFRAZIONE - INDAGINE ES EGUITA - ACQUISIZIONE ED ELABORAZIONE DATI - CALCOLO DELLA FUNZIONE DI AMPLIFICAZIONE - CONCLUSIONI 2

3 di Pasquale Milano PREMESSA Su incarico e per conto dell Architetto Vincenzo Esposito è stata eseguita, nell ambito del progetto di ampliamento impianto sportivo di Castellammare di Stabia (NA) in Viale delle Puglie, un indagine di sismica a rifrazione (Fig. 1; Fig. 4) al fine di individuare spessori e geometria dei litotipi, le caratteristiche di rigidezza degli stessi e per classificare sismicamente il suolo dell area oggetto di studi ai fini della recente normativa antisismica (O.P.C.M. 3274/03 e successive modificazioni). È stata inoltre condotta un analisi della risposta sismica del suolo fornendo il calcolo della funzione di amplificazione dinamica dei terreni per la caratterizzazione sismica degli effetti di sito. A B Fig. 1 Foto aerea da Google Earth ed ubicazione profilo sismico a rifrazione effettuato [A-B]. 3

4 PROSPEZIONI SISMICHE A RIFRAZIONE di Pasquale Milano Lo scopo di tali indagini consiste nel determinare direttamente la velocità di propagazione, all interno del mezzo in esame, delle onde di compressione (onde P), di taglio (onde S) e/o delle onde di superficie (onde di Rayleigh, Love) ed indirettamente, utilizzando i valori delle velocità acquisiti (V P, V S e V R ), le proprietà meccaniche (moduli dinamici) delle litologie investigate. Tenuto conto che per sottosuoli naturali, a causa della rapidità delle azioni e del fatto che essi si trovano per gran parte sotto falda e quindi in condizioni di drenaggio impedito, il fenomeno sismico produce deformazioni volumetriche trascurabili, rispetto a quelle distorsionali. Per questo appare giustificato ricondurre la modellazione meccanica di un fenomeno sismico all analisi degli effetti prodotti da un insieme di onde S, che si propagano dal substrato alla superficie, con un campo di spostamenti del terreno praticamente orizzontale. L assunzione è oltretutto validata dal fatto che, da un punto di vista ingegneristico, il moto più significativo ai fini della verifica sismica dei manufatti è quello orizzontale. In tal senso, a livelli di deformazione bassi, è assunta l ipotesi che il terreno in esame presenti un comportamento tensionedeformazione di tipo elastico lineare (deformazioni di taglio γ <10 6 ) Le metodologie in oggetto si basano sulla tecnica di generare onde sismiche in un punto del terreno (tramite piccole cariche esplosive, un apposito fucile esploditore, una massa battente etc.), e di rilevarne l arrivo, mediante sensori (geofoni) in altri punti. L energizzazione genera onde elastiche longitudinali (P) e trasversali (S) che si propagano in tutte le direzioni; in particolare le onde longitudinali P (Fig. 2) si propagano mediante oscillazioni delle particelle che costituiscono il mezzo attraversato nella stessa direzione della propagazione dell onda. Di conseguenza, il mezzo sarà soggetto principalmente a sforzi di compressione e dilatazione e la velocità dell onda sarà anche funzione del modulo di incompressibilità (k), che esprime la resistenza del mezzo a questo tipo di sforzo, oltre che del modulo di rigidità (µ) e della densità ( ): + 4 µ V = k 3 p ; ρ COMPRESSIONE DILATAZIONE Direzione di propagazione Fig. 2 - Rappresentazione grafica delle direzioni di oscillazione delle particelle che costituiscono il mezzo nel caso della propagazione di onde longitudinali P (direzione di oscillazione coincidente con quella di propagazione dell onda). Le onde trasversali S (Fig. 3) si propagano mediante oscillazioni delle particelle del mezzo perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell onda. Di conseguenza, il mezzo sarà soggetto a sforzi di taglio e la velocità delle onde sarà funzione della resistenza del mezzo a questo tipo di sforzo, che è espressa dal modulo di rigidità (µ) detto anche modulo di Taglio (G): 4

5 µ V s = ; ρ Direzione di propagazione Fig. 3 - Rappresentazione grafica delle direzioni di oscillazione delle particelle che costituiscono il mezzo nel caso della propagazione di onde di taglio S (direzione di oscillazione perpendicolare alla direzione di propagazione dell onda). Le onde sismiche non sono caratterizzate da un trasporto di materia, ma da un trasferimento di energia. Tenendo presente che lo sforzo impulsivo può ripartirsi in componenti normali e tangenziali, si deduce che le onde longitudinali possono anche essere chiamate onde di compressione in quanto generate dalla reazione elastica che si oppone a variazioni di volume e/o di lunghezza del corpo e di cui sono responsabili le componenti normali dello sforzo. Le onde trasversali sono anche dette onde di taglio in quanto generate da reazione elastica che si oppone a variazioni di forma del corpo e di cui sono responsabili le componenti tangenziali dello sforzo. Logicamente, onde di compressione e di taglio si generano contemporaneamente in seguito ad uno sforzo impulsivo, ma sono caratterizzate da differenti velocità di propagazione. Attraverso lo studio dei tempi di percorso delle onde di compressione e di taglio e quindi delle velocità, si può risalire alla disposizione geometrica e alle caratteristiche meccanico-elastiche dei litotipi presenti nell area di indagine. Se il mezzo ha una superficie libera e viene sollecitato acusticamente, oltre alle onde di volume (longitudinali e di taglio) si creano anche delle onde superficiali tra cui le onde di Rayleigh. In questo tipo di onde le particelle descrivono un movimento di tipo ellittico la cui ampiezza decresce esponenzialmente con la distanza dalla superficie libera. L asse maggiore delle ellissi è normale alla superficie libera del mezzo ed alla direzione di propagazione delle onde e le particelle compiono questo movimento ellittico in senso retrogrado alla direzione di propagazione delle onde che vengono così generate. La velocità delle onde di Rayleigh, come si sa, è inferiore a quella delle onde di volume ed in particolare V R =0.9 V S. Le onde di volume P ed S, che attraversano un mezzo omogeneo e isotropo (condizioni ideali) hanno ben definite equazioni di moto. Note le velocità V P e V S che vengono ottenute tramite misure dirette e nota la densità ρ, possono essere ricavate alcune proprietà meccaniche, quali il modulo di Young o modulo elastico E, il modulo di taglio G o modulo di rigidità, il coefficiente di Poisson ν, e il modulo di incompressibilità o bulk k. Le relative equazioni sono le seguenti: 5

6 ν 2 ( 1 Vs ) 1 ( ) = p Vs V Poiché nei fluidi V s =0, ν risulta uguale a 0.5. Nei solidi, il valore ν varia generalmente da 0.25 a circa Pertanto, valori più elevati di ν possono essere indicativi della presenza di frazioni di liquido nel mezzo attraversato. ρ E = 2 V p ( 1 2ν )( 1+ ν ) 1 ν E G = 2 ( 1+ν ) G ρ = 2 V s E k = 3(1 2ν ) 6

7 di Pasquale Milano INDAGINE ES EGUITA L indagine eseguita è stata condotta sulla base di un profilo sismico a rifrazione (profilo n.1 [A-B]) ubicato in una posizione ritenuta particolarmente significativa al fine di una completa individuazione delle caratteristiche del sottosuolo (Fig. 1; Fig. 4). Fig. 4 Indagine di sismica a rifrazione eseguita. L indagine è stata condotta mediante l utilizzo di sismografo M.A.E. A6000-S (Fig. 5), strumento compatto e versatile progettato e realizzato appositamente per eseguire indagini di prospezione sismica convenzionali (rifrazione, riflessione). 7

8 di Pasquale Milano Fig. 5 Sismografo M.A.E. A6000-S utilizzato per le indagini effettuate. Inoltre l elevata dinamica (24 bit di risoluzione) unita alla notevole memoria per l acquisizione, ne consente l utilizzo per tecniche di indagine di tipo non convenzionale: Re.Mi. (Refraction Microtremor) M.A.S.W. (Multichannel Analysis of Surface Waves) - S.A.S.W. (Spectral Analysis of Surface Waves). Tali indagini risultano particolarmente adatte in aree fortemente antropizzate (aree urbane e industriali) con notevole presenza di rumore di fondo (noise). La gestione dell apparecchiatura è notevolmente semplificata dall interfaccia grafica (Fig. 6) e dall interazione con essa tramite il sistema di puntamento touch-screen, che consente di eseguire tutte le operazioni toccando con un pennino gli oggetti interessati direttamente sullo schermo. L ambiente operativo dello strumento è quello di Microsoft Windows XP. L operatore, per una migliore fruibilità dello strumento può collegare una tastiera ed un mouse alla porta PS2 presente sul pannello frontale. Lo strumento è in grado di effettuare misure a rifrazione con l utilizzo di 12, 24 o 36 geofoni al massimo. 8

9 di Pasquale Milano Fig. 6 Touch Screen del Sismografo M.A.E. A6000-S. La sorgente sismica è costituita da una massa battente (mazza dal peso di 8kg) che batte su una piastra metallica. Il martello (Fig. 7) funge contemporaneamente da starter poichè collegato a mezzo di trigger al sismografo. Quando la battuta sulla superficie della piastra non era netta o la si colpiva due volte erroneamente, si rifaceva la prova. Fig. 7 Sorgente energizzante costituita da mazza battente triggerata su piastra metallica. Le oscillazioni del suolo sono state rilevate da 24 geofoni (Geospace 4.5Hz) (Fig. 8) posizionati lungo un profilo sismico di 120m con offset di 5m. La lunghezza dello stendimento è stata sufficiente a determinare la sismostratigrafia delle onde S dei terreni fino alla profondità di 40-45m. 9

10 Fig. 8 Geofono della Geospace a 4.5Hz utilizzato per il rilevamento delle oscillazioni del suolo. Energizzando il terreno in superficie e misurando i tempi di arrivo delle onde S (Fig. 9), si ha la possibilità di determinare le velocità dei litotipi. Fig. 9 - Determinazione primi arrivi onde S dei sismogrammi relativi alla energizzazione centrale del profilo sismico a rifrazione n.1 [A-B]. Lungo lo stendimento sono state eseguite varie energizzazioni con battute in 3 diversi punti (energizzazioni diretta, centrale e inversa). Al fine di ridurre il noise e migliorare i segnali acquisiti è stata usata la funzione iterazione per somma e sono state eseguite amplificazioni dei guadagni (gain) in ingresso dei geofoni posti in posizione più lontana dalle energizzazioni. 10

11 I segnali sismici acquisiti sono stati successivamente elaborati con appositi programmi per determinare la stratigrafia del sottosuolo. ACQUISIZIONE ED ELABORAZIONE DATI Le acquisizioni dei segnali, di lunghezza temporale T=1.4s, sono state effettuate con passo di campionamento dt=0.5ms. La frequenza di campionamento è data da: f campionamento =1/dt=2000Hz. La frequenza massima dei segnali, ovvero la frequenza di Nyquist, è data da: f Nyquist =1/2dt=1000Hz. La frequenza minima dei segnali è data da: f min =1/T=0.714Hz. La determinazione dei primi arrivi delle onde S rilevati dai geofoni più distanti dalla sorgente energizzante è risultata complessa per la presenza di noise dovuto al vicino traffico veicolare. L elaborazione dei dati è stata effettuata con il programma Intersism 2.0 della Geo&soft International che ha permesso di eseguire l intero processo di elaborazione della sezione sismostratigrafica 2D. Gli elaborati relativi sono di seguito riportati. 11

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17 CALCOLO DELLA FUNZIONE DI AMPLIFICAZIONE Il calcolo della funzione di amplificazione (detta anche funzione di trasferimento) di una copertura di terreni sciolti è necessario per una corretta ed utile valutazione della risposta sismica locale (effetti di sito). È noto da tempo che i danni che si manifestano durante un terremoto possono avere dimensioni molto diverse in località tra loro vicine a causa di una differente risposta sismica locale; ad esempio, per lo stesso sisma registrato da strumenti identici e a breve distanza reciproca, uno posto su di una coltre alluvionale di 200m di spessore, l altro su rocce cristalline, fu rilevato un rapporto di ampiezza pari a 5 corrispondente a circa 2 unità della scala sismica delle intensità (Carrara et al., 1992). D altra parte, lo stesso concetto di magnitudo tiene conto di ciò, legando la sua valutazione all ampiezza del moto del suolo normalizzata sia mediante una funzione di attenuazione con la distanza, sia mediante un coefficiente di stazione e quest ultimo è legato, appunto, alla diversa risposta dei siti di registrazione ad uno stesso evento sismico. Questo fenomeno fu notato per la prima volta un secolo fa quando, durante il tristemente noto terremoto di S. Francisco del 1906, edifici praticamente identici per forma, dimensioni e materiali impiegati, subirono danni sensibilmente diversi (alcuni edifici subirono crolli totali mentre altri subirono danni praticamente trascurabili). È ormai assodato che le caratteristiche con cui si presenta un sisma in un dato sito sono fortemente dipendenti oltre che dalle caratteristiche della sorgente, dalle modalità di emissione dell energia e dalla distanza ipocentrale, soprattutto da fattori di risposta locale che modificano la composizione spettrale del sisma (Fig. 10). Fig. 10 Rappresentazione schematica e semplificata delle differenti risposte sismiche locali dipendenti dalle significativamente diverse condizioni geologiche locali. In sostanza la risposta sismica locale è l azione di filtro e d amplificatore esercitata localmente dagli strati più superficiali del terreno sovrapposti ad un basamento roccioso; essa è l insieme delle modifiche in ampiezza, durata e contenuto in frequenza che un moto sismico, relativo a una formazione rocciosa di base (substrato o bedrock), subisce attraversando gli strati di terreno sovrastanti (deposito di copertura) fino alla superficie. 17

18 Per una corretta valutazione della risposta sismica locale è quindi indispensabile determinare la funzione di amplificazione dei terreni di copertura tramite una modellazione monodimensionale con un software di simulazione. Un potente strumento informatico per effettuare tale modellazione è rappresentato dal software freeware SHAKE91 dell U.S.G.S. (United States Geological Service). Inserendo opportunamente i dati relativi a spessore (h), densità ( ), velocità delle onde di taglio (V s ), modulo di taglio (G), coefficiente di smorzamento o damping (D), presenza o assenza di falda, per ogni singolo strato costituente la copertura di terreni sovrastanti il substrato rigido (bedrock), il software restituisce la funzione di trasferimento del moto sismico in superficie sottoforma di spettro di amplificazione (Fig. 11). Fig. 11 Rappresentazione schematica della determinazione della funzione di amplificazione di una copertura di terreni tramite software SHAKE91. Di seguito vengono riportati i risultati (Fig. 12), sottoforma di spettro di amplificazione, ottenuto con SHAKE91, dei terreni oggetto di indagine sovrapposti ad un bedrock (V s >800m/s) posizionato alla profondità di 30m e non affiorante. I valori di V s, densità, modulo di taglio, smorzamento e spessori dei terreni di copertura sono stati assegnati tenendo conto delle misure effettuate (Tab. 1). Sismostrato Profondità (m) Vs (m/s) Densità (kg/m 3 ) Modulo di Taglio G (Kg/cm 2 ) Coeff. Di smorzamento Damping (-) 18

19 S S S S di Pasquale Milano Tab. 1 - Prospetto dei valori dei sismostrati riscontrati, utilizzati per il calcolo della funzione di amplificazione effettuato con SHAKE91. Amplificazione Spettro di amplificazione relativo all'indagine sismica [A-B] - Castellammare (NA) Frequenza (Hz) Fig. 12 Calcolo della funzione di amplificazione dei terreni oggetto di studio tramite software SHAKE91 relativo all indagine sismica [A-B]. Per quanto riguarda la valutazione dell amplificazione sismica in superficie, lo spettro di risposta relativo all indagine sismica [A-B] mostra una amplificazione della frequenza a 4.1Hz (modo fondamentale) corrispondente ad un periodo di oscillazione T=1/4.1Hz= 0.24s. Per una struttura in cemento armato con la forma di un parallelepipedo di base quadrata, il periodo di oscillazione proprio (T) è approssimativamente uguale a: T = n. piani x 0.1 Si consiglia pertanto di evitare la costruzione di manufatti con periodi propri di oscillazione coincidenti con i periodi di oscillazione dei terreni di interesse progettuale onde evitare fenomeni di risonanza e, quindi, effetti amplificativi delle sollecitazioni strutturali. CONCLUSIONI Dall insieme delle risultanze delle analisi effettuate lungo il profilo sismico a rifrazione e dall ubicazione dello stesso è possibile affermare che l indagine ha fornito risultati concordanti con le indagini sismiche 19

20 MASW che collocano i terreni in categoria C dell O.P.C.M. 3274/03 e successive modificazioni. Questa categoria è stata ricavata, come da normativa, dalla relazione: V S 30 = 30m hi V i = 1, N i = 349 m/s Categorie Suoli di fondazione A B C D E S1 S2 V S30 >800m/s 360m/s<V S30 <800m/s 180m/s<V S30 <360m/s V S30 <180m/s Alluvioni di spessore tra 5 e 20 m con V S30 simili a C e D su substrato rigido con Vs>800m/s V S30 <100m/s Depositi di terreni soggetti a liquefazione non classificabili nei tipi precedenti Dall indagine di sismica a rifrazione effettuata sono stati ottenuti i seguenti risultati: La sezione evidenzia 4 sismostrati con velocità sismiche crescenti con la profondità; questo requisito è indispensabile per l applicazione della tecnica di sismica a rifrazione di superficie. Il sismostrato S1, presentando valori bassi di velocità delle onde di taglio (186m/s), individua una coltre di terreni da sciolti a poco addensati fino alla profondità di circa 5-7m. Il sismostrato S2, con velocità delle onde di taglio di 389m/s, si rileva fino alla profondità di15-17m. Il sismostrato S3 mostra una velocità elevata (597m/s) compatibile con le velocità di terreni ben addensati e/o consistenti. Infine, alla profondità di circa 35-38m, si rileva un orizzonte sismico con velocità delle onde di taglio di 825m/s. Tale velocità è compatibile con quelle di calcari compatti. 20