Corso di aggiornamento professionale avanzato Ingegneria Geotecnica. La Spezia, 14 ottobre 2011

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1 Corso di aggiornamento professionale avanzato Ingegneria Geotecnica La Spezia, 14 ottobre 211 Le prove in sito: scelta e validazione delle indagini sismiche Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica Sommario Risposta sismica locale Scopo: stima in sito del profilo di V S ( G ) Prove Geofisiche Invasive Non-Invasive (Esempio interpretazione Prova Down Hole) Casi di Studio Scelta e pianificazione delle indagini Controlli di qualità

2 Onde di Volume V S = G ρ (Animation courtesy of prof.braile) Studi di risposta sismica locale NTC 28 (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).

3 Risposta sismica locale: metodo lineare equivalente accelerazione (g) Terremoto El Centro top tempo (s) accelerazione (g) Terremoto El Centro outcrop tempo (s) Onda S Caratterizzazione dei depositi: Definizione della geometria (posizione del tetto del substrato sismico) Comportamento meccanico dei terreni soggetti a carichi ciclici G/Gmax [-] Esempio RSL (Lai et al., 29) Profondità [m] acc1 Spettro medio.72 acc2 NTC8 suolo E.6 acc acc4.4 acc5.31 acc6.2 acc7 Prove in sito.1.5 medio V S G Periodo Periodo [s] [s] Vs [m/s] Sabbia molto addensata.2 Sabbia mediam. addensata Roccia Deformazione [%] Smorzamento [%] Prove lab G/G (γ) e D(γ) 5 Sabbia molto addensata Sabbia mediam. addensata Roccia Accelerazione Accelerazione spettrale [g] [g] Deformazione [%] Accelerazione spettrale [g] Accelerazione [g] Accelerazione [g] Tempo [s] Accelerazione [g] Tempo [s] Accelerazione [g] Tempo [s] acc1.1 Accelerazione [g] acc2.2 Tempo [s] acc3.2 1 Tempo [s] acc Accelerazione [g] Accelerazione [g] Periodo [s] acc5 Tempo [s] acc6 Tempo [s] acc7 medio NTC8

4 Studi di risposta sismica locale NTC 28 (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). V S,3 V S,3 = 3 hi V i= 1.. S, i Rappresenta la velocità media in termini di lentezza, basata sul tempo che l onda di taglio impiega a percorrere i 3 m h 1 Vs 1 h 2 Vs 2 3m V S,3 h 3 Vs 3 h 4 Vs Onda S Onda S NB: 3m a partire dal piano di imposta della fondazione

5 Categorie di sottosuolo NB: le categorie di sottosuolo sono rilevanti ai soli fini della valutazione dell azione sismica Categorie di sottosuolo Necessità di specifiche analisi per valutare l azione sismica

6 Metodi Geofisici 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) Cross-Hole (standard ASTM D-4428-M) Acquisitore Sorgente onde P o onde S Geofoni 3D - 2 o 3 fori rivestiti e cementati con controllo verticalità (costi ) - onde P Sv Sh - tempi di arrivo -> Vp & Vs - attenuazione -> Dp & Ds (problema: attenuazione geometrica) (after Santamarina and Stokoe, 2)

7 Prove Cross-Hole (Pisa) Velocità di Propagazione [m/s] Prova Cross- Hole 1 2 Profondità [m] Vs Vp Down-Hole Un solo foro; minore sensibilità verticalità foro di sondaggio Interpretazione diretta dei tempi di arrivo valori medi P SH acquisitore geofono tridimensionale limitazione a profondità di 5-6m

8 Down Hole Down-Hole Due ricevitori (true interval) Vs (m/s) acquisitore geofoni tridimensionali Profondità (m) DH direct travel time DH trueinterval 3 Analoga interpretazione con successive posizioni singolo geofono (pseudo-interval) SCONSIGLIATA Esempio: Prova Down Hole Profilo di Vs Metodo tempi intercetti Metodo true interval Vs,3 Classificazione sismica

9 Esempio: Prova Down Hole Stringa 8 geofoni da foro con riaggancio Sismogramma

10 Interpretazione manuale 11m /.65s = 17m/s 1m /.25s = 4m/s 2m /.87s = 23m/s 6m /.7s = 86m/s Interpretazione manuale P ro fo n d ità [m ] V S [m/s] V S,3 = 3 hi V i= 1.. S, i 3 V S, 3 = = 23m / s Categoria C Inversione di velocità!! Categoria S2

11 Valutazione diretta della V S,3 3m 3m V S, 3 = = 199m / s.151s.151s Tempi di primo arrivo

12 Tempi corretti Tempo associato al percorso verticale p.c. z d t corr = t mis d 2 z + z 2 2 d + z 2 z 3 Interpretazione Dromocrone V S, 3 = = 22m / s Profondità P n d ità [m [m ] ] Tempi corretti [s] y = x y = x y = x y = 211.8x y = x y = 29.13x y = x P ro fo n d ità [m ] V S [m/s]

13 Interpretazione True Interval Due ricevitori (true interval) acquisitore geofoni tridimensionali Cono sismico (SCPT) Dilatometro sismico (SDMT) - molto efficiente (no fori sondaggio) - ottimo accoppiamento geofono-terreno (niente rivestimento) - possibile eseguire prova SCPT in modalità CHT usando due coni - stesse limitazioni CPT/DMT SDMT: trasmissione del segnale digitalizzato (Marchetti et al., 26) (

14 Cono sismico (SCPT) (Mayne, 27) Dilatometro sismico (SDMT) (Marchetti et al., 26)

15 Metodi Geofisici 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) Sismica a rifrazione Onde P: risoluzione influenzata dalla falda (ok per localizzazione substrato roccioso) Limitazioni intrinseche: strati nascosti ed inversioni velocità

16 Onde SH Rifrazione migliore definizione stratigrafica (no interferenza con falda) stima del modulo G Energizzazione piu complessa (necessità di adeguata zavorra per trasmettere energia sufficiente) Migliore risoluzione (lunghezze d onda minori) Sismogramma SH Interpretazione standard Sismica a rifrazione Rifrazione per onde SH Vs (m/sec) Castelnuovo Garfagnana Progetto VEL (Regione Toscana) profondità (m) prova SASW down-hole rifrazione Sh (Foti et al., 22)

17 Strati Nascosti Inversione di velocità (strato lento ) V 1 V <V 2 1 V 3 Tempo t dirette (V1) Distanza x arrivi dallo strato 3 (V3) 2) (da Reynolds, 1997) Strati Nascosti V 1 V 2 V 3 Tempo t dirette (V1) arrivi dallo strato 2 (V2) arrivi dallo strato 3 (V3) V 1 V 2 V 3 Tempo t Distanza x 1 dirette (V ) Distanza x arrivi dallo strato 2 (V2) arrivi dallo strato 3 (V3) arrivi dallo strato 2 (non campionati) (da Reynolds, 1997)

18 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? Onde R (Rayleigh) Animation courtesy of Dr. Larry Braile, Purdue University

19 Moto indotto dalle Onde di Rayleigh V λ R R = f (after Richart et al., 197) V λ R R = f Dispersione geometrica Onde armoniche V R? V S1 V S2 V S3 Frequency f Curva di Dispersione Sperimentale PROBLEMA INVERSO

20 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 S V S ω G Modulo di rigidezza a taglio (G vs profondità) Z 1) Acquisizione dati Seismografo o Analizzatore di Segnali Sorgente Armonica o Impulsiva componenti armoniche Geofoni verticali a bassa frequenza n V S1 V S2 V S3 profondità di indagine 1/2 lunghezza stendimento risoluzione diminuisce con la profondità (difficile risolvere strati relativamente poco spessi)

21 2) Processing (analisi dei segnali) 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 2π f ( f ) = k P= Pmax frequency, Hz each experimental dispersion curve f frequency, Hz Hz 2D FFT experimental dispersion curve wavenumber, rad/m rad/m 3) Soluzione 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 sperimentale frequenza, Hz

22 3) Soluzione problema inverso Obiettivo: trovare i parametri di modello tali da minimizzare la differenza tra curve di dispersione sperimentale e numerica Vs (m/s) sperimentale H 1 =? Vs 1 =? 5 H 2 =? Vs 2 =? 1 H 3 =? Vs 3 =? 15 Vs numerica 2 Strati piani e paralleli 2 25 omogenei lineari elastici profondità (m) 35 phase velocity, m/s frequenza, Hz Analogia con prove di collaudo strutturali Casi di Studio: Pisa V S, m/s velocità di fase, m/s frequenza, Hz sperimentale numerica profondità, m SASW CHT (Foti, 23)

23 Risoluzione spaziale delle prove SWM Prove nelle Ghiaie di Messina (Ponte sullo Stretto di Messina Blocco di ancoraggio lato Sicilia) (Jamiolkowski et al., 28) Non unicità della soluzione Inversione con metodo Monte Carlo Profili Equivalenti (Foti et al., 27)

24 Accuratezza ed incertezza della stima di V S,3 (Comina et al., 21) Consequenze della non unicità Valutazione della risposta sismica locale Profili equivalenti Dati sperimentali Prove SWM Risposta di sito (spettri di risposta) Inversione Monte Carlo Simulazioni con Shake (Foti et al., 28)

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

26 PIANOLA Sondaggio e prove DH - SDMT (maggio 29) Velocità delle onde di taglio, Vs (m/s) MASW ( 1 ) MASW ( 2 ) DH SDMT Limo argilloso Sabbia, sabbia limosa 2 Profondità, z (m) Limo argilloso, argilla limosa ReMi (Refraction Microtremors) = Prove Passive con ricevitori allineati Ipotesi di base: distribuzione spaziale uniforme delle sorgenti di vibrazione (Louie, 21) Seismograph Sismografo o analizzatore Signal di Analyzer segnali Low Geofoni frequency verticali a vertical bassa frequenza geophones n X X (Stephenson et al., 25)

27 Prove Passive Esempio: La Salle Disposizione dei geofoni (pianta) ReMi (pianta) (Foti et al., 27) Confronto Attive-Passive ReMi (Parolai et al., 27)

28 Confronto tra rifrazione SH e SASW Vantaggi Prove SASW Possibilità di utilizzo indipendentemente dall alternarsi di strati veloci e lenti Tempi di acquisizione dati in sito estremamente ridotti Parametri medi globali (comportamento dinamico dell intero deposito) Rifrazione onde SH Possibilità di ricostruzione 2D Migliore posizionamento di interfacce ad alto contrasto di rigidezza Tempi di elaborazione Svantaggi Necessità di soluzione di un problema inverso Modello 1D a strati piani e paralleli Perdita di risoluzione con la profondità Possibili errori (anche sostanziali) dovuti a strati lenti e strati nascosti Acquisizione dati onerosa Limitazione a pochi strati (2 o 3) Profondità di indagine limitata Confronto tra prove invasive e non-invasive Prove Invasive Prove Non-Invasive Vantaggi Misure dirette: intepretazione semplice ed accurata Buona risoluzione anche per strati profondi Standard di prova (CHT-DHT) Informazioni aggiuntive sulla stratigrafia dal foro di sondaggio o dalla penetrazione della sonda CPT- DMT Costi ridotti e flessibilità in termini di tempi di esecuzione e localizzazione Non intrusivi (importante per caratterizzazione di discariche o siti contaminati) Proprietà medie (comportamento dinamico globale del deposito di terreno) Caratterizzazione di vaste aree Svantaggi Costi Necessità di pianificazione anticipata (esecuzione fori) Misura locale Interpretazione complessa (misure indirette basate su processi di inversione e/o elaborazione dati onerosa) Accuratezza e risoluzione in profondità

29 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) 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 V = f R f max 62sperimentale m s = 7m z 8.5 Hz numerica frequenza [Hz] max 35m Profondità [m] V S [m/s]

30 Rapporto spettrale H/V (HVSR) Misure di rumore (sensore 3 componenti) Rapporto in frequenza tra componente verticale e componente orizzontale Risposta sismica locale: Modello 1D elastico lineare G, ρ, H G, ρ Onda S V S = ρv α z = ρv G ρ S S V S = G ρ 1 α z Funzione di Amplificazione τ kpa 8 τ=gγ γ % caso elastico lineare frequenza [Hz] f = VS 4H

31 Inversione H/V Ricostruzione del campo d onda associato ad una data stratigrafia. Tuttavia queste interpretazioni presentano una marcata molteplicità di soluzioni. Per esempio, ad una stessa curva HVSR possono corrispondere diversi possibili profili di velocità (Albarello, 211) Commenti prove H/V Utili per: Valutazione frequenza di risonanza Informazioni aggiuntive per vincolare inversione SWM Valutazione delle variazioni laterali Validazione del modello geotecnico-sismico Studi a scala territoriale Poco affidabili per: Valutazione del profilo di V S Valutazione della V S,3

32 Correlazioni SPT Otha e Goto (1978) V s = 69 f G = ( ) z f f ( m / ) 6 A G s argille sabbie fini sabbie medie sabbie grosse sabbie e ghiaie ghiaie f A = z = profondità depositi olocenici depositi pleistocenici (Mayne et al., 22) Correlazioni V S - N SPT INTERVALLI DI VARIAZIONE DEI DATI SPERIMENTALI MOLTO AMPI Sconsigliato il ricorso a correlazioni empiriche per grandezze misurabili!!

33 Riferimenti Bibliografici Foti S. [27] Prove sperimentali per la caratterizzazione geotecnica in zona sismica, Atti del Convegno Nazionale Il laboratorio nel mondo delle costruzioni: Evoluzione Storica e Normativa, Firenze, 21 Novembre 25, supplemento a Quarry and Construction, n.23, Edizioni PEI, Parma, pp Foti S. [28] La caratterizzazione geotecnica per la progettazione in zona sismica, Atti delle Conferenze di Meccanica ed Ingegneria delle Rocce, MIR28, Politecnico di Torino, Patron Ed., Bologna, pp Lai C.G., Foti S., Rota M. [29] Input sismico e stabilità geotecnica dei siti di costruzione, Collana di manuali di progettazione antisismica, vol. 6, IUSS Press, Pavia, 312 pp. AGI [25] Aspetti Geotecnici della progettazione in zona sismica Linee Guida, Pàtron Editore, Bologna