REGIONE BASILICATA PROVINCIA DI POTENZA COMUNE DI POTENZA PROGETTO DI UN COMPLESSO LUDICO SPORTIVO DA REALIZZARSI IN LOCALITÀ LAVANGONE POTENZA

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2 REGIONE BASILICATA PROVINCIA DI POTENZA COMUNE DI POTENZA PROGETTO DI UN COMPLESSO LUDICO SPORTIVO DA REALIZZARSI IN LOCALITÀ LAVANGONE POTENZA INDAGINI GEOFISICHE Studio di Geologia Tecnica & Geofisica Tel Fax Via Sardegna, Potenza

3 Potenza INDICE ANALITICO 1. PREMESSA GENERALITÀ SULLE PROSPEZIONI SISMICHE A RIFRAZIONE Possibilita e limiti del metodo sismico a rifrazione Attrezzatura e metodologia utilizzata Profilo sismico SS Profilo sismico SS PROSPEZIONE SISMICA DI TIPO MASW Generalità Attrezzatura e metodologia utilizzata Elaborazione dati Interpretazione MISURE DI MICROTREMORI DA STAZIONE SINGOLA PASSIVA (HVSR) Generalità sul rumore sismico Definizioni - Tecnica impiegata Strumentazione utilizzata e processo di elaborazione dati RAPPORTO FOTOGRAFICO UBICAZIONE INDAGINI Pag. 01

4 Potenza 1. PREMESSA La presente relazione illustra e sintetizza i risultati di una campagna di indagini geofisiche costituita da due prospezioni sismiche a rifrazione in onde P, una prospezione simica attiva MASW e quattro misure di microtremori con stazione singola passiva (HVSR), eseguite a corredo del Progetto di un complesso ludico sportivo da realizzarsi in località Lavangone nel Comune di Potenza su committenza della ditta Pace Rocco Costruzioni s.r.l. In particolare sono state eseguite: n 2 prospezioni sismiche a rifrazione in onda P denominate SS1 e SS2, rispettivamente della lunghezza di 80 e 60 m; n 1 prospezione sismica MASW della lunghezza di 60 m; n 4 misure di microtremori da stazione singola passiva (HVSR). L interpretazione dei dati acquisiti in campagna ha consentito di ricavare i profili sismostratigrafici, relativi all area di indagine, con suddivisione in strati aventi analoghe caratteristiche delle velocità di propagazione delle onde sismiche nonché di effettuare la caratterizzazione sismica del sottosuolo in accordo con quanto previsto dal D.M. 14/01/ GENERALITÀ SULLE PROSPEZIONI SISMICHE A RIFRAZIONE Le indagini sismiche a rifrazione si basano sulla misurazione del tempo necessario perché la perturbazione elastica causata nel terreno da una sorgente di energia pervenga a una serie di strumentazioni di ricezione (geofoni) dopo aver percorso uno strato superficiale di terreno (onde dirette) e superfici di separazione fra strati a velocità crescente verso il basso (mediante onde rifratte). Le apparecchiature di misurazione, di solito in numero di 12 o 24, sono spaziate regolarmente lungo un allineamento; viene registrato il tempo di arrivo delle onde ad ogni geofono, a costituire un diagramma, detto sismogramma. Il sismogramma registra: - le onde dirette: che rappresentano la perturbazione che attraversando solo il primo strato va al geofono dalla sorgente di energia; - le onde riflesse: che vengono riflesse dalle superfici di discontinuità; - le onde rifratte: date dal raggio che subisce la rifrazione totale e percorre la superficie di discontinuità a velocità pari a quella dello strato più veloce. L angolo critico di incidenza dipende dal rapporto delle velocità di propagazione delle onde sismiche nei due materiali, secondo la Legge di Snell: Pag. 02

5 Potenza Si ha l angolo critico quando senα = V1/V2, cioè β = 90. Le spezzate diagrammate in un sistema di riferimento tempi/distanze relativamente ai tempi di primo arrivo sono le dromocrone. In ogni dromocrona si hanno punti che possono essere relativi alle onde dirette e alle onde rifratte. I primi tempi di arrivo sono quelli relativi ai raggi diretti attraverso il primo strato e la pendenza della linea che passa per tali punti è il reciproco della velocità di questo strato. A partire da una certa distanza dal punto di energizzazione (detta distanza critica) il tempo impiegato per arrivare al geofono dai raggi che percorrono il tetto dello strato sottostante (più veloce) risulta inferiore a quello degli arrivi diretti. I punti relativi a questi arrivi si allineeranno secondo una retta avente la pendenza di 1/V2, e così via per gli strati inferiori. Il tempo che corrisponde all intersezione di ciascun segmento di retta con l asse dei tempi è detto tempo intercetto. Questo valore, come quello della distanza critica, dipendono direttamente dalla velocità dei materiali e dallo spessore degli strati, e possono quindi essere utilizzati per determinare le profondità dei tetti degli strati stessi. In sostanza, una volte determinate le varie velocità, vi sono infatti due metodi per determinare le profondità dei vari strati sotto i punti di energizzazione: il metodo dell intercetta e quello della distanza critica. Una volta note queste entità è poi possibile calcolare la profondità dei vari strati in corrispondenza di ogni geofono; con il metodo ABC (delay times) o con il GRM (Generalized Reciprocal Method). 2.1 Possibilità e limiti del metodo sismico a rifrazione Come è noto, le onde elastiche provocate da una vibrazione si trasmettono nel suolo con velocità differenti per ogni litotipo. Nella prospezione sismica a rifrazione si sfrutta la diversa velocità di propagazione delle onde longitudinali (onde P o di compressione e dilatazione ), che sono le più veloci fra le diverse onde elastiche, o trasversali (onde S o di taglio ) per determinare spessori e andamenti dei livelli presenti. La velocità di propagazione delle onde elastiche nel suolo è compresa in un range piuttosto ampio; per lo stesso litotipo di roccia essa diminuisce col grado di alterazione, di fessurazione e/o di fratturazione; aumenta per contro con la profondità e l età geologica. Sensibili differenze si possono avere, in rocce stratificate, tra le velocità rilevate lungo i piani di strato e quelle rilevate perpendicolarmente a questi. La velocità delle onde compressionali, diversamente da quelle trasversali che non si trasmettono nell acqua, è fortemente influenzata dalla presenza della falda acquifera e dal grado di saturazione. Pag. 03

6 Potenza Questo comporta che anche litotipi differenti possano avere uguali velocità delle onde sismiche compressionali, per cui non necessariamente l interpretazione sismostratigrafica corrisponde con la reale situazione geologico-stratigrafica. Il metodo sismico a rifrazione è soggetto inoltre alle seguenti limitazioni: - un livello potrà essere evidenziato soltanto se la velocità di trasmissione delle onde longitudinali in esso risulterà superiore a quella dei livelli soprastanti ( effetto della inversione di velocità. ); - un livello di spessore limitato rispetto al passo dei geofoni e alla sua profondità può non risultare rilevabile; - un livello di velocità intermedia compreso tra uno strato sovrastante a velocità minore ed uno sottostante a velocità sensibilmente maggiore può non risultare rilevabile perché mascherato dagli arrivi dello strato sottostante (effetto dello strato nascosto e zona oscura ); - aumentando la spaziatura tra i geofoni aumenta la profondità di investigazione ma può ovviamente ridursi la precisione della determinazione della profondità dei limiti di passaggio tra i diversi livelli individuati. In presenza di successioni di livelli con velocità (crescenti) di poco differenti tra loro, orizzonti a velocità intermedia con potenza sino anche ad 1/3 del passo adottato possono non essere evidenziati. Il limite tra due orizzonti può quindi in realtà passare attraverso un terzo intermedio non evidenziabile; - analogamente, incrementi graduali di velocità con la profondità danno origine a dromocrone che consentono più schemi interpretativi. Per contro i moderni metodi di elaborazione del dato sismico consentono di ricostruire la morfologia sepolta di più rifrattori sovrapposti, variamente accidentati e con velocità variabili lungo il profilo, anche in presenza di morfologia di superficie non piane. 2.2 Attrezzatura e metodologia utilizzata La strumentazione utilizzata è il sismografo SoilSpy Rosina della Micromed S.P.A. dalle seguenti caratteristiche tecniche: campionamento 89 khz per canale in modo continuo; conversione a/d 25 bit a 128 Hz; frequenze di output (fs) 256, 512, 1.024, 2.048, 4.096, 8.192, , Hz; durata registrazione continua - nessun limite per fs < Hz; dinamica 142 db; banda dc Hz; visualizzazione continua in tempo reale (per fs < Hz). L attrezzatura è completata da geofoni verticali e orizzontali Geospace con frequenza propria di 4,5 Hz, fucile sismico armato con cartucce industriali calibro 8 a carica ridotta o massa battente del peso di 10 Kg su piastra in alluminio. Pag. 04

7 Potenza Shot1 Shot2 Shot3 Shot4 Shot5 G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 G9 G10 G11 G12 Strato 1 Strato 2 p.c. Substrato Fig. 1 Geometria tipo di uno stendimento sismico a rifrazione Per l interpretazione dei dati è stato utilizzato il software Winsism 11.0 della W_Geosoft, in grado di convertire i dati acquisiti in formato SU (seismic unix) ed operare direttamente su tali tracce per la definizione dei tempi di primo arrivo ed il successivo tracciamento delle dromocrone. L interpretazione dei dati è stata effettuata con il metodo del Delay Time (ABC), che consente di determinare la profondità al di sotto di ogni geofono attraverso l analisi delle velocità e degli spessori degli strati, individuandone le variazioni laterali nell elaborazione di un modello interpretativo. Dal modello ottenuto è stata effettuata l inversione tomografica utilizzando il software RAYFRACT della Intelligent Resources Inc., formulato per consentire l'elaborazione di dati ottenuti con prospezioni sismiche eseguite in superficie, sia onde P che S, per scopi geotecnico-ingegneristici, ambientali e per l'esplorazione nel campo delle georisorse. RAYFRACT consente sia la ricostruzione della geometria dei rifrattori con la sismica a rifrazione tradizionale, che la realizzazione di dettagliati modelli di velocità del sottosuolo con le più evolute tecniche tomografiche, soprattutto nel caso di strutture profonde. Tali tecniche consistono in due metodi, quello di inversione DELTA T-v, mediante il quale si ottengono dei profili 1D "profondità-velocità" dai dati di dromocrone e il metodo di inversione 2D, WET, mediante il quale si ottimizzano i modelli di velocità ottenuti con il metodo DELTA t-v. Inoltre le release più recenti di RAYFRACT sono supportate dal software SURFER 9 mediante il quale è stato eseguito il gridding, l'imaging ed il contouring dei suddetti modelli di velocità. Gli stendimenti sismici impiegati presentano le seguenti caratteristiche: SISMICA A RIFRAZIONE STENDIMENTO N Canali Distanza Lunghezza base Tipo SISMICO intergeofonica sismica Onde Sismiche SS1 16 5,0m 80 m P SS2 12 5,0m 60 m P Pag. 05

8 Potenza 2.3 Profilo sismico SS1 Il profilo sismico, denominato SS1, è stato realizzato nell area di interesse così come riportato in planimetria, con l intento di ricostruire l andamento sismostratigrafico del sottosuolo ed individuarne gli spessori degli strati. Lo stendimento sismico impiegato presenta le seguenti caratteristiche: - n. geofoni: 16 - distanza tra i geofoni: 5,0 m - n. shots: 5, di cui: shot 1 (end 1): estremo, a -2,5 m da geofono 1 (coord. = -2,5 m) shot 2 (central 4-5) centrale, fra geofoni 4 e 5 (coord. = 17,5 m) shot 3 (central 8-9) centrale, fra geofoni 8 e 9 (coord. = 37,5 m) shot 4 (central 12-13) centrale, fra geofoni 12 e 13 (coord. = 57,5 m) shot 5 (end 16) estremo, a 2,5 m da geofono 16 (coord. = 77,5 m) Di seguito vengono descritti sinteticamente i sismostrati rilevati con le loro caratteristiche. La Sismosezione SS1 in onde P (l. 80 m) evidenzia la presenza di tre sismostrati. Il primo sismostrato, quello più superficiale, ha uno spessore variabile da 0,8 a 1,4 metri, con velocità delle onde di P compresa tra 450 e 750 m/s, riferibile al suolo agrario e a depositi superficiali maggiormente alterati e decompressi; Il secondo sismostrato presenta uno spessore variabile da 3,9 a 7,0 m, con velocità delle onde di compressione compresa tra m/s e corrisponde ad un orizzonte mediamente consistente/addensato, con discrete caratteristiche geotecniche; Segue un terzo sismostrato a profondità variabile da 4,9 a 7,9 m dal p.c fino alla profondità di investigazione, stimabile intorno ai 20 m dal p.c., caratterizzato da una velocità VP compresa tra m/s, riferibile al substrato caratterizzato da buone caratteristiche geotecniche. Pag. 06

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11 Potenza 2.4 Profilo sismico SS2 Il profilo sismico, denominato SS2, è stato realizzato nell area di interesse così come riportato in planimetria, con l intento di ricostruire l andamento sismostratigrafico del sottosuolo ed individuarne gli spessori degli strati. Lo stendimento sismico impiegato presenta le seguenti caratteristiche: - n. geofoni: 12 - distanza tra i geofoni: 5,0 m - n. shots: 5, di cui: shot 1 (end 1): estremo, a -2,5 m da geofono 1 (coord. = -2,5 m) shot 2 (central 3-4) centrale, fra geofoni 3 e 4 (coord. = 17,5 m) shot 3 (central 6-7) centrale, fra geofoni 6 e 7 (coord. = 32,5 m) shot 4 (central 9-10) centrale, fra geofoni 9 e 10 (coord. = 47,5 m) shot 5 (end 12) estremo, a 2,5 m da geofono 12 (coord. = 62,5 m) Di seguito vengono descritti sinteticamente i sismostrati rilevati con le loro caratteristiche. La Sismosezione SS2 in onde P (l. 60 m) evidenzia la presenza di tre sismostrati. Il primo sismostrato, quello più superficiale, ha uno spessore variabile da 1,1 a 1,9 metri, con velocità delle onde di P compresa tra 450 e 750 m/s, riferibile al suolo agrario e a depositi superficiali maggiormente alterati e decompressi; Il secondo sismostrato presenta uno spessore variabile da 3,6 a 6,2 m, con velocità delle onde di compressione compresa tra m/s e corrisponde ad un orizzonte mediamente consistente/addensato, con discrete caratteristiche geotecniche; Segue un terzo sismostrato a profondità variabile da 5,3 a 7,0 m dal p.c fino alla profondità di investigazione, stimabile intorno ai 20 m dal p.c., caratterizzato da una velocità VP compresa tra m/s, riferibile al substrato caratterizzato da buone caratteristiche geotecniche. Pag. 09

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14 3. PROSPEZIONE SISMICA DI TIPO MASW 3.1 Generalità MASW è l'acronimo di Multi-channel Analysis of Surface Waves (Analisi Multi-canale di Onde di Superficie). Ciò indica che il fenomeno che si analizza è la propagazione delle onde di superficie. La MASW classica/standard consiste nella registrazione della propagazione di una classe di onde di superficie (specificatamente delle onde di Rayleigh). Più in dettaglio, le onde di Rayleigh vengono generate da una sorgente ad impatto verticale (in genere mediante massa battente del peso di 10 Kg su piastra in alluminio) o da un cannoncino sismico e vengono poi registrate tramite geofoni a componente verticale a frequenza propria di 4.5Hz. Più specificatamente si analizza la dispersione delle onde di superficie sapendo che frequenze diverse e quindi lunghezze d'onda diverse -viaggiano a velocità diversa. Il principio di base quindi è piuttosto semplice: le varie componenti (frequenze) del segnale (cioè della perturbazione sismica che si propaga) viaggiano ad una velocità che dipende dalle caratteristiche del mezzo. In particolare, le lunghezze d'onda più ampie (cioè le frequenze più basse) sono influenzate dalla parte più profonda (in altre termini sentono gli strati più profondi), mentre le piccole lunghezze d'onda (le frequenze più alte) dipendono dalle caratteristiche della parte più superficiale. 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 Attrezzatura e metodologia utilizzata La strumentazione utilizzata è il sismografo SoilSpy Rosina della Micromed S.P.A. dalle seguenti caratteristiche tecniche: campionamento 89 khz per canale in modo continuo; conversione a/d 25 bit a 128 Hz; frequenze di output (fs) 256, 512, 1.024, 2.048, 4.096, 8.192, , Hz; durata registrazione continua - nessun limite per fs < Hz; dinamica 142 db; banda dc Hz; visualizzazione continua in tempo reale (per fs < Hz). L attrezzatura è completata da due cavi sismici a 12 takes out spaziati di 10 m, con connettore cannon, montato su bobina, geofoni verticali Geospace con frequenza propria di 4,5 Hz, geofono trigger avente funzione di interruttore starter, cavo trigger montato su bobina e fucile sismico armato con cartucce industriali calibro 8 a carica ridotta o massa battente del peso di 10 Kg su piastra in alluminio. Pag. 12

15 L indagine è stata svolta così come riportato in planimetria allegata e presenta la seguente geometria: Numero di geofoni:12 Spaziatura tra i geofoni : 5 m Numero di offset: 3 rispettivamente a 8; 9; 10 m dal primo geofono Lunghezza stendimento:60 m Per l interpretazione dei dati è stato utilizzato il software WinMasw Pro della Eliosoft. I dati sperimentali, acquisiti in formato SEG-2, sono stati trasferiti su PC e convertiti in un formato compatibile (.sgy format file) Elaborazione dati L analisi consiste nella trasformazione dei segnali registrati in uno spettro bidimensionale phase velocity-frequency (c-f) che analizza l energia di propagazione delle onde superficiali lungo la linea sismica. Dallo spettro bidimensionale ottenuto dalle registrazioni è possibile distinguere il modo fondamentale delle onde di superficie, in quanto le onde di Rayleigh presentano un carattere marcatamente dispersivo che le differenzia da altri tipi di onde (onde riflesse, onde rifratte, onde multiple). Sullo spettro di frequenza viene eseguito un picking attribuendo ad un certo numero di punti una o più velocità di fase per un determinato numero di frequenze. Tali valori vengono successivamente riportati su un diagramma periodo-velocità di fase per l analisi della curva di dispersione e l ottimizzazione di un modello interpretativo. Variando la geometria del modello di partenza ed i valori di velocità delle onde S si modifica automaticamente la curva calcolata di dispersione fino a conseguire un buon fitting con i valori sperimentali. Di seguito i dati di campagna acquisiti e lo spettro di velocità calcolato. Nelle figure sottostanti sono riportati i risultati dell inversione della curva di dispersione determinata tramite analisi di dati MASW. In alto a sinistra: spettro osservato, curve di dispersione piccate e curve Pag. 13

16 del modello individuato dall inversione. Sulla destra il profilo verticale VS identificato. In basso a sinistra l evolversi del modello al passare delle generazioni (l algoritmo utilizzato per l inversione delle curve di dispersione appartiene alla classe degli Algoritmi Genetici Dal Moro et al., 2007) Interpretazione In tabella e in figura sottostante sono riportati gli strati del modello medio individuato a cui corrisponde una Vs30 di 345 m/s a partire dal p.c. Spessore (m) VS (m/s) e deviazioni standard ± ± ± ± 8 semi-spazio 625 ± 4 Pag. 14

17 Sintetizzando, il modello sismostratigrafico del sottosuolo è assimilabile a tre unità geosismiche di cui di seguito si procede a darne una interpretazione basata sui valori delle velocità delle onde sismiche rilevate, ma la cui lettura deve essere effettuata anche in relazione alla situazione litologica e stratigrafica locale: Il primo sismostrato, quello più superficiale, ha uno spessore di 2,9 m, con velocità delle onde S di 153 m/s, riferibile a terreno vegetale e a depositi superficiali maggiormente alterati e decompressi sciolti o poco consistenti; Il secondo sismostrato presenta uno spessore di 15,6 m, con velocità delle onde di taglio compresa tra 232 e 367 m/s e corrisponde a depositi mediamente consistenti con discrete caretteristiche geotecniche che tendono a migliorare con la profondità; Segue, a profondità maggiori di 18,5 m dal p.c. e fino alla profondità di investigazione stimata in oltre 30 m dal p.c., un terzo sismostrato caratterizzato da velocità delle onde S di 625 m/s riferibile ad un deposito consistente con buone caratteristiche geotecniche. Pag. 15

18 A partire dai valori di velocità delle onde sismiche VS e VP (m/s) misurate con le prospezioni MASW e a rifrazione; adottando opportuni valori del Peso di volume (Kg/m 3 ) e del modulo di Poisson rappresentativo dei litotipi presenti è stato possibile inoltre stimare attraverso relazioni empiriche, i moduli dinamici del sottosuolo per ogni orizzonte sismico individuato. In particolare sono stati definiti: - Modulo di taglio dinamico (G) E definito dalla seguente equazione: G = Vs 2 Dove = densità Tale parametro è fortemente dipendente dalla porosità e dalla pressione; assume valori più bassi in litotipi ad alta porosità, sottoposti a basse pressioni e saturati in acqua. - Modulo di Young (Ed) E definito dalla seguente equazione: Ed = [V 2 P (1+µ) (1-2µ)] /(1-µ)] Con Rigidità sismica R s = V s Tale modulo dipende dalla porosità e dalla pressione litostatica. Modulo di incompressibilità dinamica E definito dalla seguente equazione: K = [VP 2 4/3 VS 2 ] ed è detto Bulk Modulus Pag. 16

19 Strato Spessore - Indagini geofisiche Parametri fisici e dinamici medi del sottosuolo investigato Vp Vs Peso di Poisson Modulo di Rigidità Modulo di Bulk Volume µ Young R Taglio Modulus m/sec m/sec gr/cm 3 Kg/cm 2 T/m 2 *sec Kg/cm 2 Kg/cm 2 I II III Vp = velocità onde P(m/s); Vs= velocità onda S (m/s), γ= densità (g/cm 3 ); µ= coeff. di Poisson; R= rigidità o impedenza sismica (T/m 2 *s) L analisi della dispersione delle onde di Rayleigh a partire da dati di sismica attiva (MASW) ha consentito di determinare il profilo verticale della VS (e dei moduli dinamici) e di conseguenza del parametro Vs30, risultato per il modello medio pari a 345 m/s (considerando come riferimento il piano campagna). Linea sismica Vs30 (m/sec) Categoria di Suolo MASW 345 C Rispetto alle norme tecniche per le costruzioni (DM 14 gennaio 2008, ex DM 14/09/2005) il sito in esame rientra quindi nella categoria C ovvero: - Depositi di terreni a grana grossa mediamente addensati o terreni a grana fine mediamente consistenti, con spessori superiori a 30 m caratterizzati da graduale miglioramento delle proprietà meccaniche con la profondità e valori del VS30 compresi tra 180 m/s e 360 m/s (ovvero 15 < NSPT30 < 50 nei terreni a grana grossa e 70 < cu30 < 250 kpa nei terreni a grana fina). Pag. 17

20 4. MISURE DI MICROTREMORI DA STAZIONE SINGOLA PASSIVA (HVSR) Nel sito in oggetto sono state inoltre effettuate n 4 misure di microtremore ambientale della durata di 16 minuti con un tromografo digitale progettato specificamente per l acquisizione del rumore sismico. 4.1 Generalità sul rumore sismico Il rumore sismico ambientale, presente ovunque sulla superficie terreste, è generato dai fenomeni atmosferici (onde oceaniche, vento) e dall attività antropica oltre che, ovviamente, dall attività dinamica terrestre. Si chiama anche microtremore in quanto riguarda oscillazioni molto piccole (10 15 [m/s 2 ] 2 in termini di accelerazione), molto più piccole di quelle indotte dai terremoti nel campo vicino. I metodi che si basano sulla sua acquisizione si dicono passivi in quanto il rumore non è generato ad hoc, come ad esempio le esplosioni della sismica attiva. Nelle zone in cui non è presente alcuna sorgente di rumore locale, in assenza di vento, lo spettro infrequenza del rumore di fondo, secondo il servizio geologico statunitense (USGS), sono interpretati come originati dalle onde oceaniche. Tali componenti spettrali vengono attenuate molto poco anche dopo tragitti di migliaia di chilometri per effetto di guida d'onda. A tale andamento generale, che è sempre presente, si sovrappongono le sorgenti locali, antropiche (traffico, industrie o anche il semplice passeggiare di una persona) e naturali che però si attenuano fortemente a frequenze superiori a 20 Hz, a causa dell assorbimento anelastico originato dall attrito interno delle rocce. Nel tragitto dalla sorgente s al sito x le onde elastiche (sia di terremoto che di microtremore) subiscono riflessioni, rifrazioni, intrappolamenti per fenomeni di guida d onda, attenuazioni che dipendono dalla natura del sottosuolo attraversato. Questo significa che, se da un lato l informazione relativa alla sorgente viene persa e non sono più applicabili le tecniche della sismica classica di ray tracing, è presente comunque una parte debolmente correlata nel segnale che può essere estratta e che contiene le informazioni relative al percorso del segnale ed in particolare relative alla struttura locale vicino al sensore. Dunque, anche il debole rumore sismico, che tradizionalmente costituisce la parte di segnale scartata dalla sismologia classica, contiene informazione. Questa informazione è però sepolta all interno del rumore casuale e può essere estratta attraverso tecniche opportune. Una di queste è la tecnica dei rapporti spettrali o, semplicemente, HVSR. 4.2 Definizioni - Tecnica impiegata Il tipo di stratigrafia che le tecniche di sismica passiva possono restituire si basa sul concetto di contrasto di impedenza. Per strato si intende cioè un unità distinta da quelle sopra e sottostanti per un contrasto di impedenza, ossia per il rapporto tra i prodotti di velocità delle onde sismiche nel mezzo e densità del mezzo stesso. Dai primi studi di Kanai (1957) in poi, diversi metodi sono stati proposti per Pag. 18

21 estrarre l informazione relativa al sottosuolo a partire dagli spettri del rumore sismico registrati in un sito. Tra questi, la tecnica che si è maggiormente consolidata nell uso è la tecnica dei rapporti spettrali tra le componenti del moto orizzontale e quella verticale (HVSR), applicata da Nogoshi e Igarashi (1970). Il metodo fu in seguito reso popolare principalmente da Nakamura (1989) come strumento per la determinazione dell amplificazione sismica locale. Mentre su questo punto non è ancora stato raggiunto consenso, è invece ampiamente riconosciuto che l HVSR è in grado di fornire stime affidabili delle frequenze principali di risonanza dei sottosuoli. Riconosciuta questa capacità e dato che, se è disponibile una stima delle velocità delle onde elastiche, le frequenze di risonanza possono essere convertite in stratigrafia. Considerando un sistema a due strati, che si distinguono per diversa densità e diversa velocità delle onde sismiche la frequenza fondamentale di risonanza (f0) dello strato 1 (di spessore H) relativa alle onde S (Vs) è pari a f0= = VS/(4H) Teoricamente questo effetto è sommabile cosicché la curva HVSR mostra come massimi relativi le frequenze di risonanza dei vari strati. Questo, insieme ad una stima delle velocità, è in grado di fornire previsioni sullo spessore H degli strati. Questa informazione è per lo più contenuta nella 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 popolarità del metodo. 4.3 Strumentazione utilizzata e processo di elaborazione dati Per l esecuzione delle misure è stato utilizzato il tromografo digitale TROMINO Zero (Micromed s.r.l). progettato specificamente per l acquisizione del rumore sismico. Si tratta di un apparecchio portatile compatto di circa 10 x 7 x 14 cm e 1 kg di peso, dotato di tre sensori elettrodinamici (velocimetri) orientati N-S, E-W e verticalmente, alimentato da 2 batterie AA da 1.5 V, senza alcun cavo esterno. Lo strumento ha una curva di risposta pressoché piatta nella banda di interesse per la norma DIN 4150, grazie a sismometri mid-frequency la cui risposta viene digitalizzata a 24 bit A/D con una frequenza di campionamento di 512 Hz. Lo strumento memorizza i dati in una scheda di memoria interna da 1 Gb, evitando così la presenza Pag. 19

22 di qualsiasi cavo che possa introdurre rumore meccanico o elettronico; registra contemporaneamente la componente verticale e le due componenti orizzontali N-S e E-O, tra loro ortogonali. Per questo motivo, prima di avviare ogni misura, lo strumento deve essere collocato in posizione perfettamente orizzontale (con l ausilio di una bolla incorporata sulla sua parte superiore) e con la freccia presente accanto al display direzionata verso il nord. Il principale prodotto finale dell elaborazione dei dati registrati dal Tromino è rappresentato dal grafico HVSR che riporta in ascissa i valori di frequenza (espressi in Hz) e in ordinata l ampiezza del rapporto spettrale HV (adimensionale). La funzione HVSR finale è data dalle media degli HVSR di ciascuna finestra. Per produrre l HVSR finale, le componenti orizzontali sono mediate tra loro con la media quadratica e vengono poi divise per la componente verticale. Tutti i grafici HVSR presentati in questo studio sono stati ottenuti con lisciamento secondo finestre triangolari con ampiezza pari al 10% della frequenza centrale. Ciascun picco nel grafico HVSR indica, in ascissa, un valore di frequenza di risonanza (o modo fondamentale), al quale corrisponde, in ordinata, un valore di amplificazione delle componenti orizzontali del moto del suolo rispetto alla componente verticale. Poiché la frequenza è relazionata alla profondità secondo la formula [1], il valore di una frequenza di risonanza corrisponde alla profondità della superficie di discontinuità che separa due livelli stratigrafici sovrapposti e che mostrano un contrasto di impedenza sismica. Dalla registrazione del rumore sismico sono state ricavate e analizzate le curve HVSR, ottenute col software Grilla in dotazione a TROMINO, secondo la procedura descritta in Castellaro et al. (2005), con parametri: - larghezza delle finestre d analisi 20 s, - lisciamento secondo finestra triangolare con ampiezza pari al 10% della frequenza centrale, - rimozione delle finestre con rapporto STA/LTA (media a breve termine/media a lungo termine) superiore a 2 - rimozione manuale di eventuali transienti ancora presenti. Per ogni misura, oltre al grafico HVSR, il software Grilla elabora altri 3 grafici: - l H/V TIME HISTORY, utile per distinguere i picchi che sono propri del sito (riconoscibili per l intera durata della registrazione) da quelli che non lo sono (quindi riconoscibili solo in alcuni brevi momenti della registrazione) e che vengono di solito eliminati nell elaborazione finale degli HVSR; - il DIRECTIONAL H/V, che serve per evidenziare l eventuale direzionalità di un picco, ovvero per Pag. 20

23 capire se una frequenza di amplificazione è legata ad una particolare struttura (caratterizzata quindi da una sua orientazione) oppure se essa presenta una distribuzione isotropica nel terreno; - il SINGLE COMPONENT SPECTRA, che evidenzia l andamento spettrale velocità/frequenza di ognuna delle tre singole componenti di moto del suolo. Nell area in esame sono state eseguite n 4 stazioni di misura, ubicate così come riportato in planimetria allegata, per un tempo di acquisizione di 16. Lo strumento, in acquisizione, è stato orientato a N. Dopo le operazioni di elaborazione dati, si sono ottenuti i diagrammi H/V e la curve di spettro riportate in allegato, secondo il report automatico rilasciato dal software Grilla. La ricerca dei picchi da interpretare è stata effettuata, congiuntamente, nel grafico H/V e in quello degli spettri singoli. In particolare, i picchi H/V di origine stratigrafica sono quelli generati da un minimo nelle componenti verticali del moto curve magenta negli spettri che significa minimo delle onde di Rayleigh alla frequenza di risonanza. Oltre a questo può esistere un massimo nelle componenti orizzontali del modo. Le frequenze > di 30 Hz in genere non vengono considerate perché interessano la porzione più superficiale del terreno (profondità < di 0,50 m. dal p.c.). La tabella sottostante riassume i valori della frequenza Fo (Hz) misurati, mentre nelle pagine successive si riportano i grafici delle acquisizioni eseguite. Misura HVSR N Valore frequenza (Hz) 1 N.P. 2 10,47 3 8,73 4 5,31 Pag. 21

24 LAVANGONE HVSR1 Strumento: TRZ-0155/01-11 Inizio registrazione: 27/09/13 09:26:21 Fine registrazione: 27/09/13 09:42:21 Nomi canali: NORTH SOUTH; EAST WEST ; UP DOWN Dato GPS (WGS84): N; E Durata registrazione: 0h16'00''. Analizzato 96% tracciato (selezione manuale) Freq. campionamento: 128 Hz Lunghezza finestre: 20 s Tipo di lisciamento: Triangular window Lisciamento: 20% RAPPORTO SPETTRALE ORIZZONTALE SU VERTICALE SERIE TEMPORALE H/V DIREZIONALITA' H/V SPETTRI DELLE SINGOLE COMPONENTI Pag. 22

25 [Secondo le linee guida SESAME, Si raccomanda di leggere attentamente il manuale di Grilla prima di interpretare la tabella seguente]. Picco H/V a 2.94 ± 4.34 Hz (nell'intervallo Hz). Criteri per una curva H/V affidabile [Tutti 3 dovrebbero risultare soddisfatti] f 0 > 10 / L w 2.94 > 0.50 OK n c (f 0 ) > > 200 OK A (f) < 2 per 0.5f 0 < f < 2f 0 se f 0 > 0.5Hz A (f) < 3 per 0.5f 0 < f < 2f 0 se f 0 < 0.5Hz Superato 0 volte su 142 OK Criteri per un picco H/V chiaro [Almeno 5 su 6 dovrebbero essere soddisfatti] Esiste f - in [f 0 /4, f 0 ] A H/V (f - ) < A 0 / 2 NO Esiste f + in [f 0, 4f 0 ] A H/V (f + ) < A 0 / 2 NO A 0 > > 2 NO f picco [A H/V (f) ± A (f)] = f 0 ± 5% < 0.05 NO f < (f 0 ) < NO A (f 0 ) < (f 0 ) < 1.58 OK L w n w n c = L w n w f 0 f f 0 f (f 0 ) A 0 A H/V (f) f f + A (f) logh/v (f) (f 0 ) lunghezza della finestra numero di finestre usate nell analisi numero di cicli significativi frequenza attuale frequenza del picco H/V deviazione standard della frequenza del picco H/V valore di soglia per la condizione di stabilità f < (f 0 ) ampiezza della curva H/V alla frequenza f 0 ampiezza della curva H/V alla frequenza f frequenza tra f 0 /4 e f 0 alla quale A H/V (f - ) < A 0 /2 frequenza tra f 0 e 4f 0 alla quale A H/V (f + ) < A 0 /2 deviazione standard di A H/V (f), A (f) è il fattore per il quale la curva A H/V (f) media deve essere moltiplicata o divisa deviazione standard della funzione log A H/V (f) valore di soglia per la condizione di stabilità A (f) < (f 0 ) Valori di soglia per f e A (f 0 ) Intervallo di freq. [Hz] < > 2.0 (f 0 ) [Hz] 0.25 f f f f f 0 (f 0 ) per A (f 0 ) log (f 0 ) per logh/v (f 0 ) Pag. 23

26 LAVANGONE HVSR2 Strumento: TRZ-0155/01-11 Inizio registrazione: 27/09/13 10:12:19 Fine registrazione: 27/09/13 10:28:19 Nomi canali: NORTH SOUTH; EAST WEST ; UP DOWN Dato GPS (WGS84): N; E Durata registrazione: 0h16'00''. Analizzato 94% tracciato (selezione manuale) Freq. campionamento: 128 Hz Lunghezza finestre: 20 s Tipo di lisciamento: Triangular window Lisciamento: 20% RAPPORTO SPETTRALE ORIZZONTALE SU VERTICALE SERIE TEMPORALE H/V DIREZIONALITA' H/V SPETTRI DELLE SINGOLE COMPONENTI Pag. 24

27 [Secondo le linee guida SESAME, Si raccomanda di leggere attentamente il manuale di Grilla prima di interpretare la tabella seguente]. Picco H/V a ± 1.43 Hz (nell'intervallo Hz). Criteri per una curva H/V affidabile [Tutti 3 dovrebbero risultare soddisfatti] f 0 > 10 / L w > 0.50 OK n c (f 0 ) > > 200 OK A (f) < 2 per 0.5f 0 < f < 2f 0 se f 0 > 0.5Hz A (f) < 3 per 0.5f 0 < f < 2f 0 se f 0 < 0.5Hz Superato 0 volte su 504 OK Criteri per un picco H/V chiaro [Almeno 5 su 6 dovrebbero essere soddisfatti] Esiste f - in [f 0 /4, f 0 ] A H/V (f - ) < A 0 / 2 NO Esiste f + in [f 0, 4f 0 ] A H/V (f + ) < A 0 / 2 NO A 0 > > 2 OK f picco [A H/V (f) ± A (f)] = f 0 ± 5% < 0.05 NO f < (f 0 ) < NO A (f 0 ) < (f 0 ) < 1.58 OK L w n w n c = L w n w f 0 f f 0 f (f 0 ) A 0 A H/V (f) f f + A (f) logh/v (f) (f 0 ) lunghezza della finestra numero di finestre usate nell analisi numero di cicli significativi frequenza attuale frequenza del picco H/V deviazione standard della frequenza del picco H/V valore di soglia per la condizione di stabilità f < (f 0 ) ampiezza della curva H/V alla frequenza f 0 ampiezza della curva H/V alla frequenza f frequenza tra f 0 /4 e f 0 alla quale A H/V (f - ) < A 0 /2 frequenza tra f 0 e 4f 0 alla quale A H/V (f + ) < A 0 /2 deviazione standard di A H/V (f), A (f) è il fattore per il quale la curva A H/V (f) media deve essere moltiplicata o divisa deviazione standard della funzione log A H/V (f) valore di soglia per la condizione di stabilità A (f) < (f 0 ) Valori di soglia per f e A (f 0 ) Intervallo di freq. [Hz] < > 2.0 (f 0 ) [Hz] 0.25 f f f f f 0 (f 0 ) per A (f 0 ) log (f 0 ) per logh/v (f 0 ) Pag. 25

28 LAVANGONE HVSR3 Strumento: TRZ-0155/01-11 Inizio registrazione: 27/09/13 10:44:46 Fine registrazione: 27/09/13 11:00:46 Nomi canali: NORTH SOUTH; EAST WEST ; UP DOWN Dato GPS (WGS84): N; E Durata registrazione: 0h16'00''. Analizzato 85% tracciato (selezione manuale) Freq. campionamento: 128 Hz Lunghezza finestre: 20 s Tipo di lisciamento: Triangular window Lisciamento: 20% RAPPORTO SPETTRALE ORIZZONTALE SU VERTICALE SERIE TEMPORALE H/V DIREZIONALITA' H/V SPETTRI DELLE SINGOLE COMPONENTI Pag. 26

29 [Secondo le linee guida SESAME, Si raccomanda di leggere attentamente il manuale di Grilla prima di interpretare la tabella seguente]. Picco H/V a 5.44 ± 8.73 Hz (nell'intervallo Hz). Criteri per una curva H/V affidabile [Tutti 3 dovrebbero risultare soddisfatti] f 0 > 10 / L w 5.44 > 0.50 OK n c (f 0 ) > > 200 OK A (f) < 2 per 0.5f 0 < f < 2f 0 se f 0 > 0.5Hz A (f) < 3 per 0.5f 0 < f < 2f 0 se f 0 < 0.5Hz Superato 0 volte su 262 OK Criteri per un picco H/V chiaro [Almeno 5 su 6 dovrebbero essere soddisfatti] Esiste f - in [f 0 /4, f 0 ] A H/V (f - ) < A 0 / 2 NO Esiste f + in [f 0, 4f 0 ] A H/V (f + ) < A 0 / 2 NO A 0 > > 2 OK f picco [A H/V (f) ± A (f)] = f 0 ± 5% < 0.05 NO f < (f 0 ) < NO A (f 0 ) < (f 0 ) < 1.58 OK L w n w n c = L w n w f 0 f f 0 f (f 0 ) A 0 A H/V (f) f f + A (f) logh/v (f) (f 0 ) lunghezza della finestra numero di finestre usate nell analisi numero di cicli significativi frequenza attuale frequenza del picco H/V deviazione standard della frequenza del picco H/V valore di soglia per la condizione di stabilità f < (f 0 ) ampiezza della curva H/V alla frequenza f 0 ampiezza della curva H/V alla frequenza f frequenza tra f 0 /4 e f 0 alla quale A H/V (f - ) < A 0 /2 frequenza tra f 0 e 4f 0 alla quale A H/V (f + ) < A 0 /2 deviazione standard di A H/V (f), A (f) è il fattore per il quale la curva A H/V (f) media deve essere moltiplicata o divisa deviazione standard della funzione log A H/V (f) valore di soglia per la condizione di stabilità A (f) < (f 0 ) Valori di soglia per f e A (f 0 ) Intervallo di freq. [Hz] < > 2.0 (f 0 ) [Hz] 0.25 f f f f f 0 (f 0 ) per A (f 0 ) log (f 0 ) per logh/v (f 0 ) Pag. 27

30 LAVANGONE HVSR4 Strumento: TRZ-0155/01-11 Inizio registrazione: 27/09/13 11:10:42 Fine registrazione: 27/09/13 11:26:42 Nomi canali: NORTH SOUTH; EAST WEST ; UP DOWN Dato GPS (WGS84): N; E Durata registrazione: 0h16'00''. Analizzato 94% tracciato (selezione manuale) Freq. campionamento: 128 Hz Lunghezza finestre: 20 s Tipo di lisciamento: Triangular window Lisciamento: 20% RAPPORTO SPETTRALE ORIZZONTALE SU VERTICALE SERIE TEMPORALE H/V DIREZIONALITA' H/V SPETTRI DELLE SINGOLE COMPONENTI Pag. 28

31 [Secondo le linee guida SESAME, Si raccomanda di leggere attentamente il manuale di Grilla prima di interpretare la tabella seguente]. Picco H/V a 5.31 ± 1.15 Hz (nell'intervallo Hz). Criteri per una curva H/V affidabile [Tutti 3 dovrebbero risultare soddisfatti] f 0 > 10 / L w 5.31 > 0.50 OK n c (f 0 ) > > 200 OK A (f) < 2 per 0.5f 0 < f < 2f 0 se f 0 > 0.5Hz A (f) < 3 per 0.5f 0 < f < 2f 0 se f 0 < 0.5Hz Superato 0 volte su 256 OK Criteri per un picco H/V chiaro [Almeno 5 su 6 dovrebbero essere soddisfatti] Esiste f - in [f 0 /4, f 0 ] A H/V (f - ) < A 0 / 2 NO Esiste f + in [f 0, 4f 0 ] A H/V (f + ) < A 0 / 2 NO A 0 > > 2 OK f picco [A H/V (f) ± A (f)] = f 0 ± 5% < 0.05 NO f < (f 0 ) < NO A (f 0 ) < (f 0 ) < 1.58 OK L w n w n c = L w n w f 0 f f 0 f (f 0 ) A 0 A H/V (f) f f + A (f) logh/v (f) (f 0 ) lunghezza della finestra numero di finestre usate nell analisi numero di cicli significativi frequenza attuale frequenza del picco H/V deviazione standard della frequenza del picco H/V valore di soglia per la condizione di stabilità f < (f 0 ) ampiezza della curva H/V alla frequenza f 0 ampiezza della curva H/V alla frequenza f frequenza tra f 0 /4 e f 0 alla quale A H/V (f - ) < A 0 /2 frequenza tra f 0 e 4f 0 alla quale A H/V (f + ) < A 0 /2 deviazione standard di A H/V (f), A (f) è il fattore per il quale la curva A H/V (f) media deve essere moltiplicata o divisa deviazione standard della funzione log A H/V (f) valore di soglia per la condizione di stabilità A (f) < (f 0 ) Valori di soglia per f e A (f 0 ) Intervallo di freq. [Hz] < > 2.0 (f 0 ) [Hz] 0.25 f f f f f 0 (f 0 ) per A (f 0 ) log (f 0 ) per logh/v (f 0 ) Pag. 29

32 5. RAPPORTO FOTOGRAFICO Fase di acquisizione della prospezione sismica a rifrazione SS1 e della prospezione MASW Fase di acquisizione della prospezione sismica a rifrazione SS2 Pag. 30

33 Misura di microtremore ambientale HVSR1 Misura di microtremore ambientale HVSR2 Pag. 31

34 Misura di microtremore ambientale HVSR3 Misura di microtremore ambientale HVSR4 Pag. 32

35 6. UBICAZIONE INDAGINI Pag. 33