Metodi ed indagini propedeutici alla microzonazione sismica

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1 CORSO DI AGGIORNAMENTO PER GEOLOGI Ottobre 2011 STUDI DI MICROZONAZIONE SISMICA: TEORIA E APPLICAZIONI Metodi ed indagini propedeutici alla microzonazione sismica Dott. Geol. Roberto De Ferrari Dip.Te.Ris.- Università di Genova Spin-off dell Università di Genova

2 INDIRIZZI E CRITERI PER LA MICROZONAZIONE SISMICA DPC livelli di approfondimento: 1 livello di tipo qualitativo Carta delle microzone omogenee in prospettiva sismica permette di individuare e delimitare le aree soggette ad effetti sismici locali 2 livello di tipo semiquantitativo permette di determinare il valore del Fattore di amplificazione (Fa) tramite l uso di curve di correlazione 3 livello di tipo quantitativo condotta con approccio numerico e/o sperimentale, permette di definire gli spettri di risposta del sito e il Fattore di amplificazione

3 Metodi ed indagini propedeutici alla microzonazione sismica Livelli MS Metodi Indagini 1 livello di tipo qualitativo Raccolta dati Analisi critica dati Analisi topografiche Redazione carte Geologiche Geomorfologiche Litotecniche Geofisiche (Vp/Vs) Morfologiche 2 livello di tipo semiquantitativo Ricostruzione profili Vs H Ricostruzione profili topograici Metodi semplificati (Abachi) Geognostiche Geofisiche (Vp/Vs) Topografiche 3 livello di tipo quantitativo Analisi risposta sismica locale mediante (HVSR, SSR) Definizione input sismico Modelli numerici 1D/2D Calcolo dei Fa Geognostiche Geofisiche (Vp/Vs)

4 Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica 2008

5 Onde sismiche: riferimenti teorici L applicazione di una sollecitazione dinamica ad un mezzo continuo produce vibrazioni che si trasmettono nel mezzo sotto forma di onde sismiche. La sorgente può essere di tipo meccanico, elettro magnetico, etc. superficiale o interna al mezzo. Le sorgenti meccaniche possono essere naturali(terremoti, moto ondoso, vento) o artificiali (esplosioni, installazioni di pali, fondazioni di macchine vibranti, traffico, etc.) e operano in differenti campi di frequenza.

6 Onde sismiche: riferimenti teorici L energia trasferita dalla sorgente al mezzo si propaga nel terreno sotto forma di vari tipi di onde. La distinzione tra i vari tipi di onde viene effettuata in base alla: presenza o meno di una frontiera nel mezzo: mezzo infinitamente esteso (onde di volume) e mezzo semi-infinito (onde di superficie) direzione di propagazione al moto degli elementi del mezzo rispetto alla direzione di propagazione

7 Onde sismiche: riferimenti teorici ONDE DI VOLUME Quando le onde sismiche si propagano all interno di un mezzo infinitamente esteso (sorgente interna al mezzo) si definiscono ONDE DI VOLUME e si propagano secondo fronti d onda sferici. Le onde di volume sono di due tipi: ONDE P(onde longitudinali o di compressione o primae) ONDE S(onde trasversali o di taglio o secundae) Le onde P producono vibrazioni polarizzate nella direzione di propagazione e deformazioni di compressione o estensione. Le onde S producono vibrazioni polarizzate in direzione perpendicolare alla direzione di propagazione e deformazioni di taglio

8 Onde sismiche: riferimenti teorici ONDE DI SUPERFICIE Nel caso di un mezzo seminifinito (come il terreno), quando le onde di volume (prodotte da una sorgente interna al mezzo) raggiungono la frontiera generano le ONDE DI SUPERFICIE, che si propagano attraverso la superficie stessa. Le onde di superficie sono principalmente di due tipi: ONDE DI RAYLEIGH ONDE DI LOVE. Le onde di Love producono vibrazioni orizzontali polarizzate nella direzione perpendicolare alla direzione di propagazione e deformazioni di taglio. Le onde di Rayleigh producono vibrazioni che sono la risultante di una vibrazione polarizzata su un piano verticale, in direzione perpendicolare alla direzione di propagazione, e di una vibrazione orizzontale polarizzata lungo la direzione di propagazione. Il moto risultante è ellittico retrogrado. La deformazione indotta è sia di taglio che di compressione.

9 Onde sismiche: riferimenti teorici ONDE DI RAYLEIGH Nel campo delle misure sismiche, specie per i metodi superficiali (MASW, Nakamura) le onde di Rayleigh assumono un ruolo fondamentale. Tali onde si propagano secondo fronti d onda cilindrici con legge d attenuazione r- 0.5 (con r distanza dalla sorgente). Invece le onde di volume si attenuano con legge 1/r all interno del mezzo e 1/r 2 sulla superficie. Lungo la superficie le onde di Rayleigh si attenuano meno rapidamente delle onde di volume

10 Velocità delle Onde Sismiche In generale la velocità delle onde sismiche dipende dalle caratteristiche fisiche (densità) e meccaniche (modulo di Young, coefficiente di Poisson, etc.) del mezzo attraverso cui si propagano e dalla frequenza, f dell onda (v = λ f). In un mezzo omogeneo elastico la velocità di propagazione delle onde sismiche è indipendente dalla frequenza (onde non dispersive). In tal caso valgono le seguenti relazioni tra le velocità di propagazione delle onde P, Vp, onde S, Vs, e onde superficiali (Rayleigh), Vr in condizioni di far field:

11 Velocità delle Onde Sismiche La velocità delle onde P è sempre maggiore di quella delle onde S. Il rapporto tra la velocità delle onde P e la velocità delle onde S dipende solo dal coefficiente di Poisson e varia tra 2 e. La velocità delle onde di Rayleigh è prossima alla velocità delle onde S varia tra V S e V S in funzione del coefficiente di Poisson Per = 0 Per = 0.5 V P = V (0.5) S V R = V S V P = V R = V S

12 Velocità delle Onde Sismiche Quando le onde sismiche attraversano la roccia o un terreno omogeneo (poco smorzante) si possono con buona approssimazione considerare non dispersive nel campo delle piccole deformazioni (dominio elastico lineare) e delle basse frequenze, e si possono quindi applicare le relazioni precedenti. Nel caso delle misure sismiche le frequenze dell eccitazione (1-10 Hz) e l ampiezza massima delle deformazioni indotte (< %) sono tali da potere applicare tale Per terreni non saturi e rocce il rapporto tra le velocità delle onde P e S da misure sismiche risulta:v P V S

13 MISURE SISMICHE IN SITO MISURE SISMICHE IN FORO Prove down-hole DH Prove cross-hole CH Prove col cono sismico, Seismic Cone Penetration Test SCPT MISURE SISMICHE SUPERFICIALI ATTIVE Rifrazione onde P e Onde SH (Onde di volume) MASW SASW (Onde superficiali) PASSIVE Metodo Nakamura (Onde superficiali) Metodo REMI Array sismici

14 Determinazione del profilo di Velocità delle Onde sismiche attraverso l integrazione di metodi di indagine attiva e passiva Esempio 1 : MASW + Misure di microtremore (HVSR) Dati disponibili: Stratigrafia completa (sondaggi geognostici spinti fino al substrato roccioso) S.P.T. in foro Caratteristiche geologiche: depositi fluvio lacustri normalconsolidati

15 MASW 24 geofoni da 4.5 Hz Acquisizione segnale Elaborazione (Phase Shift) Picking manuale curva di dispersione

16 Misure di microtremore Sensori Lennartz 5s Acquisitori MarsLite Analisi spettrale delle tre componenti del segnale acquisito Stima dei rapporti spettrali H/V per ciascuna finestra di segnale e definizione della curva H/V media (curva di ellitticità) Determinazione della frequenza fondamentale del sito di indagine: f 0 = 1.8 Hz

17 Misure di microtremore / Metodo Nakamura Stima qualitativa del valore di Vs dei terreni soprastanti il substrato roccioso (nota la profondità dell interfaccia coltre / substrato roccioso) mediante applicazione della formula empirica f 0 V S 4 h f 0 = 1.8 Hz h = 26 m V s = 187 m/s Questo valore rappresenta una stima approssimativa ma affidabile alla velocità media di propagazione delle onde S all interno dei terreni soprastanti l interfaccia che costituisce il contrasto di impedenza principale del sito investigato (coltre alluvionale/substrato roccioso)

18 Profilo di Vs ottenuto da metodo tipo forward modelling (software Dinver V del pacchetto Geopsy) Dati di partenza per la stima del profilo di Vs Modello del terreno (spessore strato superficiale), Vp, Vs, Rapporto Poisson, densità dei materiali Curva di dispersione sperimentale ottenuta dal picking manuale del diagramma velocità di fase/frequenza Curva di ellitticità (curva media H/V) sperimentale ottenuta dallle misure di microtremore Valore della frequenza di risonanza del sito ottenuta dall analisi della curva H/V media Confronto tra curva sperimentale e teorica da modello (dispersione/ellitticità) (Forward modelling) Definizione del modello di velocità Vs Valori compatibili con applicazione metodo semplificato da HVSR

19 Esempio 2 : Rifrazione SH + MASW + Misure di microtremore (Nakamura) Dati disponibili: Stratigrafia parziale (sondaggi geognostici fino a profondità superficiali) S.P.T. in foro Caratteristiche geologiche: materiale alluvionale recente e sedimenti pliocenici su rocce metamorfiche

20 Sismica a rifrazione - Tomografia sismica in onde SH Acquisizione 24 geofoni orizzontali per le onde SH da 4.5 Hz Profondità limitata m da p.c.

21 Misure di microtremore / Metodo Nakamura Determinazione della frequenza fondamentale del sito di indagine: f 0 = Hz

22 Grafico Velocità di fase / Frequenza Profilo Vs Ottenuto da inversione congiunta MASW e Nakamura Curva di dispersione MASW Fianco destro del picco di risonanza ottenuto dalla curva H/V

23 Esempio 3 : Rifrazione P/SH + Misure di microtremore (Nakamura) Dati disponibili: Stratigrafia parziale (sondaggi geognostici spinti fino al substrato roccioso) S.P.T. in foro Caratteristiche geologiche: coltre detritica potente (frana attiva) in versante Substrato roccioso flysch cretaceo

24 Misure di microtremore / Metodo Nakamura Due misure in prossimità di sondaggi che raggiungono il substrato roccioso f 0 V S 4h

25 Sismica a rifrazione - Tomografia sismica in onde P/SH Acquisizione 24 geofoni verticali per le onde P da 4.5 Hz Distanza intergeofonica 4 m - 92 m complessivi Profondità di indagine Onde P e SH 30m da p.c. Fino al Substrato roccioso

26 Vantaggi e svantaggi metodi di indagine P- P- P-

27 Uso delle Misure di Microtremore (Metodo Nakamura) a scopi di Microzonazione sismica Vantaggi Misura sperimentale della risposta sismica locale Individuazione della presenza di evidenti effetti di amplificazione locale Misure relativamente speditive Svantaggi Problemi tecnici delle misure Limiti di applicabilità (Contrasto di impedenza) Individuazione di effetti in campo lineare (diversi da effetti durante terremoto forte)

28 Metodo Nakamura ORIGINE E NATURA DEL RUMORE (noise sismico) Fenomeni oceanici e meteorologici a larga scala Effetti del vento e condizioni meteorologiche locali Attività antropiche Sorgenti lontane Onde di superficie Onde di Rayleigh Modo fondamentale Sorgenti vicine Onde di superficie e onde di volume Onde di Rayleigh e di Love Modo fondamentale e modi superiori

29 Metodo Nakamura Alto contrasto di impedenza (I x / I y > 2) I x = x Vs 2 x

30 Uso delle misure di microtremore per scopi di microzonazione Esempio : località Ghivizzano, comune di Coreglia Antelminelli (LU) Comune di Coreglia Antemilminelli Località Ghivizzano Indagini Progetto DOCUP Regione Toscana RILEVAMENTO GEOLOGICO GEOMORFOLOGICO N 3 PROFILI SISMICA A RIFRAZIONE ONDE P SH N 3 SONDAGGI GEOGNOSTICI N 3 PROVE DOWN HOLE

31 Metodo Nakamura : risultati

32 SI UTILIZZO DELLA METODOLOGIA Nakamura NO Definizione preliminare di f 0 Verifica riproducibilità dei risultati Estensione su di un area di misure puntuali (sondaggi/downhole, stazioni sismiche temporanee) Accordo con misure indipendenti Correlazione f 0 edifici f 0 suolo Applicazione esclusiva per definizione f 0 e risposta sismica di un sito (effetti 2D/3D) Analisi esclusiva curva H/V Curva H/V noise = Funzione di trasferimento Definizione della stratigrafia di un sito UTILIZZO IN STUDI DI MICROZONAZIONE

33 Criticità e limiti di applicabilità metodologia Nakamura esperienze pratiche ed esempi: 1 Rumore antropico Monocromatico 2 Contrasto di impedenza debole (gradiente di velocità) e effetti 2D/3D 3 Terreno a grana fine ad alto contenuto d acqua 4 Effetto del vento 5 Differenti condizioni barometriche Per una corretta stima della reale accuratezza e precisione dei risultati ottenuti attraverso l applicazione della metodologia Nakamura è SEMPRE necessario riportare oltre ovviamente alla curva H/V: Il tipo di strumentazione impiegata Le condizioni ambientali e la tipologia di installazione Gli spettri di Fourier

34 Caso 1: Rumore antropico Monocromatico Castelnuovo Bojano (CB) pompe prossimità cartiera

35 Caso 2: Contrasto di impedenza debole (gradiente di velocità) e effetti 2D/3D Conoide di La Salle (AO) H/V noise H/H ref

36 Caso 3: Terreno a grana fine ad alto contenuto d acqua Coreglia Antelminelli 550 m/s 23m Misura in terra Asfalto

37 Caso 4: Effetto del vento Licciana Nardi (MS) Quiete Vento

38 Rapporti HV noise Caso 5: differenti condizioni barometriche Spettri di Fourier Piana di Gubbio

39 INDIRIZZI E CRITERI PER LA MIROZONAZIONE SISMICA II LIVELLO INDIRIZZI E CRITERI DPC 2008 MODELLO + GEOLOGICO CONOSCENZA DEI VALORI DI V S qualsiasi metodo di indagine presente in letteratura (invasivo o non invasivo scelto dal geologo sulla base del modello geologico), in grado di fornire un modello geofisico del sottosuolo attendibile in relazione alla situazione geologica del sito MODELLO GEOFISICO SCHEDE DI VALUTAZIONE LITOLOGICHE Abachi VALORE DI Fa (STRATIGRAFICO) con grado di approssimazione ± 0.1

40 ANALISI DI RISPOSTA SISMICA LOCALE III LIVELLO : POSSIBILI APPROCCI STIMA DEGLI EFFETTI DI AMPLIFICAZIONE SISMICA LOCALE METODI SPERIMENTALI RSM (Borcherdt 1970) HVSR (Bonilla et al., 1997) METODI NUMERICI 1D SHAKE91 2D Quad 4M - Flac PROCEDURA SEMI AUTOMATICA CALCOLO DEI FATTORI DI AMPLIFICAZIONE CALCOLO FATTORI DI AMPLIFICAZIONE STRATIGRAFICA Ss / Fa Fa E TOPOGRAFICA St / Fa Fa può essere calcolato a partire da diversi parametri, può essere calcolato in diversi modi e ne consegue che possa essere scelto il tipo di Fa più utile in funzione delle previsione di espansione urbanistica. Ss e St sono esclusivamente vincolati all affidabilità delle misure dei parametri da cui dipendono.

41 METODI SPERIMENTALI / NUMERICI III livello : ESEMPIO VILLACOLLEMANDINA (LU) ha un valore di Pga di riferimento di 0,20g 7 STAZIONI FISSE 26 PUNTI MISURA

42 METODI SPERIMENTALI / NUMERICI III livello : ESEMPIO Mappa della Frequenza fondamentale Fo (microtremori e terremoti) Mappa del bedrock Vs = 4h / F 0

43 METODI SPERIMENTALI / NUMERICI III livello : ESEMPIO RISULTATI APPROCCIO SPERIMENTALE CONFRONTO CON APPROCCIO NUMERICO 1D Fa = 5.7 EFFETTI NON 1D Legati alla morfologia sepolta EFFETTI BACINO Modello 1D Fa = 2.3

44 METODI SPERIMENTALI / NUMERICI III livello : ESEMPIO RISULTATI APPROCCIO SPERIMENTALE CONFRONTO CON APPROCCIO NUMERICO 2D Modello 2D Modello 1D

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