La caratterizzazione del sottosuolo

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1 La prevenzione del rischio sismico in Piemonte Pinerolo, 22 marzo 2013 La caratterizzazione del sottosuolo le indicazioni delle NTC e la buona pratica esecutiva Prof. Ing. sebastiano.foti@polito.it

2 Sommario La caratterizzazione del sottosuolo: le indicazioni delle NTC e la buona pratica esecutiva Valutazione dell azione sismica: pericolosità sismica nazionale risposta sismica locale Categorie di sottosuolo Prove sismiche CHT DHT Onde superficiali (SASW, MASW, ReMi, Passive arrays, ) Idoneità del sito di costruzione Stabilità dei pendii Interferenza con rotture di faglia in superficie Liquefazione

3 Pericolosità sismica italiana INGV NTC 2008 CAMBIO DI PARADIGMA Definizione dei valori di pericolosità su maglia geografica (0.05 ) La pericolosità è definita in funzione del periodo di ritorno Assegnati un periodo di riferimento e una probabilità di superamento si ottiene l azione di progetto NTC 2008 Esempio: a g probabilità superamento 10% in 50 anni (SLV strutture ordinarie) T R =475 anni sottosuolo cat. A (V S,30 >800m/s)

4 Città del Messico (Terremoto del 1985) (Faccioli e Paolucci, 2005)

5 Studi di risposta sismica locale NTC 2008 (3.2.2): Ai fini della definizione dell azione sismica di progetto, si rende necessario valutare l effetto della risposta sismica locale mediante specifiche analisi, come indicato nel In assenza di tali analisi, per la definizione dell azione sismica si può fare riferimento a un approccio semplificato, che si basa sull individuazione di categorie di sottosuolo di riferimento (Tab. 3.2.II e 3.2.III).

6 G/Gmax [-] Esempio RSL (Lai et al., 2009) Profondità [m] La caratterizzazione del sottosuolo: le indicazioni delle NTC e la buona pratica esecutiva Vs [m/s] Deformazione [%] Prove in sito V S G Sabbia molto addensata Sabbia mediam. addensata Roccia Sabbia molto addensata 0.2 Sabbia mediam. addensata 5 Roccia Prove 1 lab Smorzamento [%] Deformazione [%] A ccelerazione spettrale [g] Accelerazione [g] acc1 Spettro medio 0.72 acc2 NTC08 suolo E 0.6 acc acc4 0.4 acc acc6 0.2 acc medio Accelerazione spettrale [g] Accelerazione [g] Accelerazione [g] Periodo [s] Periodo [s] Tempo [s] Tempo [s] Accelerazione [g] -0.2 Accelerazione [g] Tempo [s] Accelerazione [g] Periodo [s] acc1 acc Tempo [s] Accelerazione [g] acc Tempo [s] acc Accelerazione [g] acc5 0 Tempo [s] acc6 acc7 Tempo [s] medio NTC08

7 Studi di risposta sismica locale NTC 2008 (3.2.2): Ai fini della definizione dell azione sismica di progetto, si rende necessario valutare l effetto della risposta sismica locale mediante specifiche analisi, come indicato nel In assenza di tali analisi, per la definizione dell azione sismica si può fare riferimento a un approccio semplificato, che si basa sull individuazione di categorie di sottosuolo di riferimento (Tab. 3.2.II e 3.2.III).

8 Spettri di risposta per tipologie di sottosuolo (Seed et al., 1976)

9 Stima semplificata RSL: V S,30 Rappresenta la velocità media in termini di lentezza, basata sul tempo che l onda di taglio impiega a percorrere i 30 m V S,30 = 30 h V i i= 1.. N S, i h 1 Vs 1 h 2 Vs 2 30m V S,30 h 3 Vs 3 h 4 Vs Onda S Onda S NB: 30m a partire dal piano di imposta della fondazione

10 Stima semplificata RSL: V S,eq Rappresenta la velocità media in termini di lentezza, basata sul tempo che l onda di taglio impiega a percorrere lo strato di spessore H V S, eq = H h V i i= 1.. N S, i h 1 Vs 1 h 2 Vs 2 h 3 Vs 3 H V S,eq h 4 Vs Onda S Onda S NB: 30m a partire dal piano di imposta della fondazione

11 Categorie di sottosuolo: revisione NTC???? NB: le categorie di sottosuolo sono rilevanti ai soli fini della valutazione dell azione sismica

12 EC8 & NTC08: categorie di sottosuolo Categoria V s,30 N SPT c u A B C > > > V S,30 = 30 h V i i= 1.. N S, i D E (C, D su A) < 180 < 15 < 70 velocità media pesata (parità di tempo di viaggio) Note: Categoria E: depositi alluvionali di spessore 5-20m classificabili come sottosuolo C o D soprastanti un un substrato roccioso (bedrock) (sottosuolo A) Categorie speciali S1 (argille tenere/limi molto plastici) e S2 (terreni soggetti a liquefazione/argille sensitive): richiedono studi specifici della risposta sismica locale

13 NTC 2008 (Udine) La caratterizzazione del sottosuolo: le indicazioni delle NTC e la buona pratica esecutiva Spettri di risposta elastici Acc.spettrale [g] a g F 0 Tc* Accelerazione di picco al suolo Valore di progetto S a g suolo A suolo B suolo C suolo D suolo E Periodo [s] SUOLO A B C D E S

14 Correlazioni V S - N SPT Per Esempio:Formula di Otha e Goto (1978) V s = 69 Attenzione alla dispersione dei dati usati per le correzioni incertezza associata?? A G s ( N ) z f f ( m / ) f f G A = f(tipo di terreno) = f(età del deposito)

15 Metodi Geofisici La caratterizzazione del sottosuolo: le indicazioni delle NTC e la buona pratica esecutiva Metodi Invasivi Prove Cross-hole Prove Down-hole In foro SCPT-SDMT Metodi Non-Invasivi Prove sismica a rifrazione (onde SH) Analisi delle onde superficiali Metodi attivi (SASW, MASW) Metodi passivi (fk, SPAC, ReMi, H/V)

16 Down-Hole Un solo foro; minore sensibilità verticalità foro di sondaggio P SH acquisitore limitazione a profondità di 50-60m geofono tridimensionale Metodi di interpretazione Metodo tempi intercetti Metodo true interval Inversione dei tempi di primo arrivo con raggi sismici curvi

17 Prova Down Hole d Tempo di primo arrivo 2 d + z 2 z V 1 1 t corr = t mis d 2 z + z 2 profondità V 2 1

18 Down Hole Due ricevitori (true interval) acquisitore geofoni tridimensionali V = z t corr Analoga interpretazione con successive posizioni singolo geofono (pseudo-interval): fortemente sconsigliata

19 Metodi Geofisici La caratterizzazione del sottosuolo: le indicazioni delle NTC e la buona pratica esecutiva Metodi Invasivi Prove Cross-hole Prove Down-hole In foro SCPT-SDMT Metodi Non-Invasivi Prove sismica a rifrazione (onde SH) Analisi delle onde superficiali Metodi attivi (SASW, MASW) Metodi passivi (fk, SPAC, ReMi, H/V)

20 Prove basate sulla propagazione di onde superficiali (SWM) Tecniche Attive Multistation (f-k, τ-p, MASW, CSW,...) Two-station (SASW) D n X X Tecniche passives Spatial Array SPAC, ESAC, f-k (FBDF, Capon, Music, ) Linear array (ReMi) n X X?

21 Prove SASW: diagramma di flusso Acquisizione Dati Campo di spostamenti in superficie Analisi dei Segnali V R Curva di dispersione delle onde di Rayleigh: velocità di fase vs frequenza Processo di Inversione Profilo di velocità delle onde di taglio G = ρ V 2 0 S V S ω G 0 Modulo di rigidezza a taglio (G 0 vs profondità) Z

22 Prove MASW: processing Seismograph or Signal Analyzer Impulsive or harmonic source Low frequency vertical geophones n time (s) D X X receiver offset (m) v R ( phase velocity, m/s f ) = 2π k P = P f max each experimental dispersion curve frequency, Hz f frequency, Hz frequency, Hz 2D FFT experimental dispersion curve wavenumber, rad/m wavenumber, rad/m

23 Il problema inverso Obiettivo: trovare i parametri di modello tali da minimizzare la differenza tra curve di dispersione sperimentale e numerica H 1 =? Vs 1 =? H 2 =? Vs 2 =? H 3 =? Vs 3 =? Vs =? Strati piani e paralleli omogenei lineari elastici phase velocity, m/s frequency, Hz sperimentale numerica

24 Casi di Studio: Pisa V S, m/s velocità di fase, m/s frequenza, Hz sperimentale numerica profondità, m SASW CHT (Foti, 2003)

25 Non unicità della soluzione Inversione con metodo Monte Carlo Profili Equivalenti (Foti et al., 2007)

26 Accuratezza ed incertezza della stima di V S,30 QC liq (Comina et al., 2010)

27 Integrazione Attive-Passive Passive Attive V R Curva di dispersione Passive Attive V S ω Inversione Attive Passive Z

28 PIANOLA Sondaggio e prove DH - SDMT (maggio 2009) Velocità delle onde di taglio, Vs (m/s) MASW ( 1 ) MASW ( 2 ) DH SDMT Limo argilloso Sabbia, sabbia limosa 20 Profondità, z (m) Limo argilloso, argilla limosa

29 Prove basate sulla propagazione di onde superficiali (SWM) Tecniche Attive Multistation (f-k, τ-p, MASW, CSW,...) Two-station (SASW) D n X X Tecniche passives Spatial Array SPAC, ESAC, f-k (FBDF, Capon, Music, ) Linear array (ReMi) n X X?

30 ReMi (Refraction Microtremors) = Prove Passive con ricevitori allineati Ipotesi di base: distribuzione spaziale uniforme delle sorgenti di vibrazione (Louie, 2001) Seismograph Sismografo o analizzatore Signal di Analyzer segnali Low Geofoni frequency verticali a vertical bassa frequenza geophones n X X (Stephenson et al., 2005)

31 Prove Passive Esempio: La Salle Disposizione dei geofoni (pianta) ReMi (pianta) λ apparent λ true v=f λ (Foti et al., 2007) λ apparent >λ true v apparent >v true

32 Confronto Attive-Passive ReMi (Parolai et al., 2007)

33 QC delle prove SWM Assenza marcate irregolarità topografiche e/o stratigrafiche Acquisizione Preferire approcci multistation e array 2D per le passive Frequenza naturale dei geofoni (max 4,5Hz) Apertura totale-profondità (z max ½L stend ) Qualità registrazioni Processing Verifica dato sperimentale (panel fk) Inversione Metodo di inversione (automatico) Congruenza curva dispersione numerica-sperimentale Congruenza profondità raggiunta intervallo frequenze (z max ½-1/3 λ max ) Modi superiori (se andamento irregolare)

34 Criteri di verifica delle prove SWM Corrispondenza curva dispersione numerica-sperimentale Congruenza profondità raggiunta range frequenze (z max ½-1/3 λ max ) Velocità di fase onde R [m/s] λ max VR 620sperimentale m s = = 70m zmax 35m f 8.5 Hz numerica f max frequenza [Hz] Profondità [m] V S [m/s] liq end

35 Liquefazione Sollecitazioni cicliche inducono, in condizioni drenate, riduzione di volume. La tendenza a ridurre il volume è più marcata nei terreni sciolti In condizioni non drenate, tale tendenza genera sovrappressioni interstiziali (u) Come conseguenza si riduce la resistenza al taglio, sino ad annullarsi in condizioni estreme (u=σ) τ f = σ ' tan φ ' = ( σ u ) tan φ ' NB: Nel caso di sisma le condizioni sono praticamente sempre non drenate anche per terreni a grana grossa

36 Terremoto Emiliano del 2012 Il terremoto che ha colpito la pianura padana-emiliana il 20 maggio 2012 ha prodotto diffusi ed estesi fenomeni di liquefazione Localizzazione dei casi di liquefazione osservati (Cortesia prof. G. Vannucchi UniFI)

37 Manifestazioni di liquefazione osservate in Emilia Foto: cortesia prof. G. Vannucchi UniFI

38 Composizione granulometrica terreni liquefacibili Principalmente sabbie, talvolta limi non plastici e ghiaie confinate Granulometria uniforme e la presenza di particelle arrotondate portano ad una struttura del terreno che massimizza i vuoti interstiziali Criteri Cinesi (terreni liquefacibili se tutti soddisfatti): frazione di materiale fine con particelle di diametro d mm minore del 15% limite liquido LL 35% contenuto d acqua naturale 0.9 LL indice di liquidità 0.75

39 La liquefazione in Italia (Galli, 2000)

40 NTC2008 La caratterizzazione del sottosuolo: le indicazioni delle NTC e la buona pratica esecutiva verifica liquefazione: motivi di esclusione (or) Magnitudo attesa M < 5 accelerazione di picco al suolo di progetto Sa g < 0.1 g profondità falda dal p.c. z w > 15m criterio granulometrico (fuso terreni liquefacibili) per sabbie pulite SPT (N 1 ) 60 > 30 CPT q c1n > 180 Valori normalizzati per σ' v = 100 kpa

41 Criteri granulometrici Terreni a granulometria uniforme Terreni a granulometria poco uniforme Uc = d 60 /d 10

42 Indagini Profilo stratigrafico Profondità di falda (con variazioni stagionali) Distribuzione granulometrica Prove penetrometriche (SPT-CPT)