Metodi ed indagini propedeutici alla microzonazione sismica

Dott. Geol. Roberto De Ferrari

Dip.Te.Ris.-

Università

di Genova

CORSO DI AGGIORNAMENTO PER GEOLOGI18 – 19 Ottobre 2011

STUDI DI MICROZONAZIONE SISMICA: TEORIA E APPLICAZIONI

Spin-off

dell’Università

di Genova

3 livelli di approfondimento:

1° livello di tipo qualitativoCarta 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 quantitativocondotta con approccio numerico e/o sperimentale, permette di definire gli spettri di risposta del sito e il Fattore di amplificazione

INDIRIZZI E CRITERI PER LA MICROZONAZIONE SISMICA

DPC ‐

2008

Metodi ed indagini propedeutici alla microzonazione

sismica

Livelli MS Metodi Indagini

1° livello di tipo qualitativoRaccolta datiAnalisi critica datiAnalisi topograficheRedazione carte

GeologicheGeomorfologicheLitotecnicheGeofisiche (Vp/Vs)Morfologiche

2° livello di tipo semiquantitativoRicostruzione profili Vs – HRicostruzione profili topograiciMetodi semplificati (Abachi)

GeognosticheGeofisiche (Vp/Vs)Topografiche

3° livello di tipo quantitativoAnalisi risposta sismica locale mediante (HVSR, SSR)Definizione input sismicoModelli numerici 1D/2DCalcolo dei Fa

GeognosticheGeofisiche (Vp/Vs)

Indirizzi e Criteri per la Microzonazione

Sismica 2008

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.

Onde sismiche: riferimenti teorici

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

Onde sismiche: riferimenti teoriciONDE 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

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.

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/r2sulla superficie.

Lungo la superficie le onde di Rayleigh

si attenuano meno rapidamente delle

onde di volume

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:

Velocità

delle Onde Sismiche

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 0.874 VS

e 0.955 VS

in funzione del coefficiente di Poisson

Per = 0VP = VS

(0.5)

VR

= 0.874 VS

Per = 0.5VP = ∞

VR

= 0.955 VS

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 (< 0.0001%) 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:VP

VS

≈

1.5 ÷2.0

Velocità

delle Onde Sismiche

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

MISURE SISMICHE IN SITO

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

MASW 24 geofoni da 4.5 Hz Acquisizione

segnale

Elaborazione (Phase

Shift)

Picking

manuale curva di dispersione

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:

f0 = 1.8 Hz

Misure di microtremore

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  

hVf4

S0

f0 = 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)

Misure di microtremore / Metodo Nakamura

Profilo di Vs

ottenuto da metodo tipo forward

modelling

(software Dinver

V. 1.3.5 del pacchetto Geopsy) 

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

Dati di partenza per la stima del profilo di Vs

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   

Sismica a rifrazione -

Tomografia sismica in onde SH

Acquisizione 24 geofoni

orizzontali per le onde SH da 4.5 Hz

Profondità limitata15 -16 m da p.c.

Misure di microtremore / Metodo Nakamura

Determinazione della 

frequenza fondamentale del 

sito di indagine:

f0 = 1.2 ‐1.5

Hz

Curva di dispersione MASW

Profilo VsOttenuto da inversione congiunta MASW e Nakamura

Fianco destro del picco di risonanza ottenuto dalla curva H/V

Grafico Velocità

di fase / Frequenza

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

hV

f4

S0

Misure di microtremore / Metodo Nakamura

Due misure in prossimità

di sondaggi

che raggiungono il substrato roccioso

Sismica a rifrazione -

Tomografia sismica in onde P/SH

Acquisizione 24 geofoni

verticali per le onde P da 4.5 HzDistanza intergeofonica

4 m -

92 m complessivi

Profondità di indagine Onde P e SH 30m da p.c.

Fino al Substrato roccioso

Vantaggi e svantaggi metodi di indagine

P- P- P-

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)

Metodo NakamuraORIGINE 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

Alto contrasto di impedenza (Ix

/ Iy

> 2) Ix

= x

Vs2x

Metodo Nakamura

Comune di Coreglia

Antemilminelli

–

Località

Ghivizzano

Indagini Progetto DOCUP 2000‐2006

‐

Regione Toscana

•RILEVAMENTO GEOLOGICO‐GEOMORFOLOGICO

• N°

3 PROFILI SISMICA A RIFRAZIONE ONDE P‐SH

•N°

3 SONDAGGI GEOGNOSTICI

•N°

3 PROVE DOWN‐HOLE 

Uso delle misure di microtremore per scopi di microzonazione

Esempio : località

Ghivizzano, comune di Coreglia

Antelminelli

(LU)

Metodo Nakamura : risultati

Mappa delle frequenze di risonanza

UTILIZZO DELLA METODOLOGIA Nakamura

SIDefinizione preliminare di f0

Verifica riproducibilità

dei risultati

Estensione su di un’area di misure puntuali (sondaggi/downhole, stazioni sismiche temporanee)

Accordo con misure indipendenti

Correlazione f0

edifici ↔ f0

suolo

Applicazione esclusiva per definizione f0 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

NO

Criticità

e limiti di applicabilità

metodologia Nakamura

esperienze pratiche ed esempi:

1 Rumore antropico Monocromatico2 Contrasto di impedenza debole (gradiente di velocità) e effetti 2D/3D3 Terreno a grana fine ad alto contenuto d’acqua4 Effetto del vento5 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

Bojano

(CB) – pompeCastelnuovo

–

prossimità

cartiera

Caso 1: Rumore antropico Monocromatico

Caso 2: Contrasto di impedenza debole (gradiente di velocità) e effetti 2D/3D

Conoide di La Salle

(AO)

H/V noise

H/Href

Caso 3: Terreno a grana fine ad alto contenuto d’acqua

Coreglia

Antelminelli

23m

550 m/s

Misura in terra Asfalto

Caso 4: Effetto del vento

Licciana Nardi (MS)

Quiete Vento

Caso 5: differenti condizioni barometriche

Piana di Gubbio

Rapporti HV noise Spettri di Fourier

MODELLO GEOFISICO

CONOSCENZA DEI VALORI DI VSqualsiasi 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

SCHEDE DI VALUTAZIONE LITOLOGICHE

Abachi

MODELLO GEOLOGICO +

VALORE DI Fa (STRATIGRAFICO) con grado di approssimazione ±

0.1

INDIRIZZI E CRITERI PER LA MIROZONAZIONE SISMICA

II LIVELLO –

INDIRIZZI E CRITERI DPC 2008

ANALISI DI RISPOSTA SISMICA LOCALE III LIVELLO : 

POSSIBILI APPROCCI

METODI SPERIMENTALI

RSM (Borcherdt 1970)

HVSR (Bonilla et al., 1997)

METODI NUMERICI

1D – SHAKE91

2D Quad 4M - Flac

STIMA DEGLI EFFETTI DI AMPLIFICAZIONE SISMICA LOCALE

PROCEDURA SEMI AUTOMATICA CALCOLO DEI FATTORI DI

AMPLIFICAZIONE

Fa

CALCOLO FATTORI DI AMPLIFICAZIONE STRATIGRAFICA

Ss / Fa

E TOPOGRAFICA St / FaFa 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.

METODI SPERIMENTALI / NUMERICI III livello : ESEMPIOVILLACOLLEMANDINA (LU) ha un valore di Pga

di riferimento di 0,20g

7 STAZIONI FISSE

26 PUNTI MISURA

Mappa del bedrock

Vs = 4h / F0

Mappa della Frequenza fondamentale

Fo (microtremori e terremoti)

METODI SPERIMENTALI / NUMERICI III livello : ESEMPIO

S2

RISULTATI APPROCCIO SPERIMENTALE CONFRONTO CON APPROCCIO NUMERICO 1D

Fa = 5.7

Modello 1D Fa = 2.3

EFFETTI NON 1DLegati alla morfologia sepolta

EFFETTI BACINO

METODI SPERIMENTALI / NUMERICI III livello : ESEMPIO

RISULTATI APPROCCIO SPERIMENTALE CONFRONTO CON APPROCCIO NUMERICO 2D

METODI SPERIMENTALI / NUMERICI III livello : ESEMPIO

Modello 2D

Modello 1D