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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI FIRENZEDIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE e AMBIENTALE Sezione Geotecnica

Metodi di indagine sismica in sito (parte I)

Prof. Ing. Claudia Madiai – Ing. Elisa Gargini

Le tecniche geofisiche (e tra queste prevalentemente le misure sismiche), l l l l d f l d

prof. ing. Claudia MadiaiCorso di Ingegneria Geotecnica Sismica

METODI GEOFISICI E MISURE SISMICHE

venivano utilizzate inizialmente su larga scala, per identificare le grandi strutture sepolte, la morfologia del sottosuolo e per definirne, in maniera indiretta, la stratigrafia (spessore ed alternanza degli strati, posizione del bedrock), le caratteristiche idrauliche (profondità del livello di falda) e le proprietà meccaniche in campo statico dei depositi (rigidezza a taglio e compressione dei materiali)

A partire dagli anni ’70 e ’80 tali tecniche hanno subito una notevole diffusione di fronte alla crescente domanda del loro uso anche a scala ridotta per

i i d li l i à d i i fi i li icaratterizzare con maggiore dettaglio le proprietà dei terreni superficiali in campo dinamico (per l’applicazione di normative antisismiche sempre più specifiche e stringenti, per l’analisi di stabilità dei pendii in condizioni sismiche, per studi di liquefazione, per analisi di microzonazione sismica, etc.)

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2

Le MISURE SISMICHE costituiscono un sottoinsieme delle tecniche geofisiche e consistono nel produrre un disturbo meccanico in un punto del terreno (sorgente) e nel monitorare il moto risultante, determinato dalle conseguenti


PROVE IN SITO - MISURE SISMICHE

Le misure sismiche possono essere classificate come:

attive (le onde vengono generate da una sorgente opportunamente energizzata durante la prova)passive (viene utilizzato come sorgente il rumore ambientale di fondo)

e :

(sorgente) e nel monitorare il moto risultante, determinato dalle conseguenti onde sismiche generate, in uno o più punti circostanti (ricevitori)

e :

non intrusive (quando sia la sorgente che i ricevitori sono ubicati in superficie durante la prova)intrusive (quando la sorgente o i ricevitori o entrambi sono ubicati all’interno del terreno)

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TECNICHE GEOFISICHE

Misure sismiche Altri metodi geofisici

Intrusive Non Intrusive

Attive Attive Passive

MASWSASWRifr.(TS) Rifl.

Gravimetriche

Elettriche

MagneticheVp VS

VSVP VS VP VS

CSWVS VS

F-kVS

NASWi di i i di tt ( t di SWM)

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DH CH SCPT(CH,DH)

SVLM SDMT

Foro

Elettromagn.Superficiali

mis. diretta mis. indiretta (metodi SWM)

DH: Down-Hole; CH: Cross-Hole; SVLM: Suspension Velocity Logging Method; SCPT: Seismic Cone Penetration Test; SDMT: Seismic Dilatometer Test; Rifr.: prova a rifrazione; Rifl.: prova a riflessione; TS: Tomagrafia Sismica; SASW: Spectral Analysis of Surface Waves; CSW: Continuos Surface Waves; MASW: Multichannel Analysis of Surface Waves; F-k: Frequecy-wave number; NASW: Noise Analysis of Surface Waves

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Vantaggi e svantaggiLe misure attive sono generalmente preferibili rispetto a quello passive per il



g p p q p pmaggiore contenuto energetico della sorgente che consente di ottenere una risposta del terreno più simile, in termini di ampiezza e contenuto in frequenza, a quella che si avrebbe in condizioni sismicheLe misure passive (microtremori) forniscono buoni risultati nel descrivere la risposta sismica di un terreno ma solo in termini di contenuto in frequenza, sono operativamente più semplici e in alcuni casi anche più economiche.

Le misure intrusive sono in genere più costose in quanto richiedono l’esecuzioneLe misure intrusive sono in genere più costose in quanto richiedono l esecuzione di prefori o l’utilizzo di penetrometri; d’altra parte forniscono una stima dei “parametri dinamici” più precisa con la profonditàLe misure non intrusive, sebbene più economiche, spesso richiedono un ingombro superficiale areale incompatibile con le caratteristiche del sito e forniscono risultati attendibili limitatamente agli strati più superficiali.

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Le misure sismiche consentono di:

Applicazioni



misurare direttamente la velocità di propagazione delle onde sismiche nelterreno (onde di volume P e S, onde superficiali di Rayleigh, etc.), da cui si ricavail valore iniziale del modulo di taglio, G0ottenere indirettamente informazioni sulla stratigrafia di un deposito, la posizionedel bedrock e della falda

Tali misure possono essere dunque impiegate:

l’id tifi i d l d ll di i i f l i hper l’identificazione a grande scala delle condizioni geomorfologiche, stratigrafiche e idrauliche del sottosuolonella definizione del modello geotecnico per problemi relativi a:- risposta sismica locale- liquefazione sismica- stabilità di pendii in condizioni sismiche- progettazione in aree sismiche (secondo le normative antisismiche)

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4

Come tutte le prove in sito, le misure sismiche presentano, rispetto alle provedinamiche in laboratorio, vantaggi e svantaggi.Pertanto le due classi di prove sono tra loro complementari e solo se usate


MISURE SISMICHE PER LA CARATTERIZZAZIONE DINAMICA DEI TERRENI

Pertanto le due classi di prove sono tra loro complementari e solo se usatecongiuntamente permettono di ottenere una affidabile caratterizzazione meccanicadei terreni anche in campo dinamicoTra i vantaggi delle prove dinamiche in sito rispetto alle prove di laboratorio:

maggiore rapidità ed economiacaratterizzazione più continua delle proprietà geotecniche con la profonditàesame di un volume maggiore di terrenomaggiore affidabilità per la determinazione dei parametri di deformabilità a bassilivelli deformativi

Tra gli svantaggi:le difficoltà nella definizione delle condizioni al contorno, delle condizioni didrenaggio e dello stato tensionale in sito rendono più incerta l’interpretazione deirisultatil’esecuzione della prova stessa può introdurre ulteriori non controllabili fattori didisturbo che ne falsano l’esito 77

Ciascuna delle due classi di prove dinamiche (sito, laboratorio) esplora ilcomportamento del terreno in un particolare campo di deformazioni e di frequenze:


PROVE IN SITO E DI LABORATORIOPER LA CARATTERIZZAZIONE DINAMICA DEI TERRENI

Con prove dinamiche in sito si può determinare solo il modulo di taglio iniziale G0; con(diverse) prove dinamiche di laboratorio si può esplorare il comportamento da piccoledeformazioni a rottura.

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Il modulo di taglio iniziale G0 misurato in sito è sempre superiore a quello misurato inlaboratorio: le prove di laboratorio permettono di definire il modello di comportamentodinamico del terreno, ma, a causa del disturbo, non forniscono valori attendibili del modulodi taglio, che deve essere ricavato da prove in sito.

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Le prospezioni sismiche in sito si basano sui seguenti passi fondamentali:1. generazione di onde sismiche (di volume o di superficie) con una sorgente

polarizzata2 i t i d li ff tti d tti iù i it i ( f i)



2. registrazione degli effetti prodotti con uno o più ricevitori (geofoni)3. interpretazione dei segnali registrati con individuazione dei tempi di arrivo

delle onde P, S ed R e quindi delle relative velocità di propagazione

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Non esistono al momento raccomandazioni che disciplinano in toto le modalitàesecutive di questo tipo di prove (come accade invece per le prove geotecnichet di i li d R d i i AGI ASTM t )



tradizionali, ad es. Raccomandazioni AGI, norme ASTM, etc.)Per alcune si possono trovare capitolati o istruzioni tecniche di riferimento(SPEA, varie Amministrazioni Regionali, etc.) e singole norme ASTM (ad es. perla prova cross-hole)

Questo costituisce un serio problema specie considerando che:da un lato si tratta di prove specialistiche (che richiedono attrezzatureparticolarmente costose e manodopera altamente specializzata)dall’altro, specie negli ultimi anni, tali prove hanno trovato un’ampia diffusione,anche al di fuori del campo della ricerca, in ambito professionale, per la semprepiù crescente richiesta da parte di Amministrazioni pubbliche e privati perapplicazioni in vari campi (progettazione antisismica, studi di microzonazione,etc.)

1010

6

Si basa sul fatto che in presenza di una discontinuità parte dell'energia sismicaviene riflessaAnalizza i tempi che intercorrono tra l'istante di generazione di un impulso e


MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO A RIFLESSIONE

p g pl'istante di ricezione in superficie mediante una serie di geofoni, dopo una o piùriflessioni da parte di altrettante superfici riflettentiL’analisi e l’interpretazione dei segnali riflessi registrati in superficie permettono dievidenziare la posizione di strati caratterizzati da diversa impedenza sismica e distimare le velocità di propagazione delle onde di volume in ciascuno di essi

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MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO A RIFLESSIONE

22 H4xd2triflessaonda +==

xtdirettaonda =

d

1P1Pr VV

triflessaonda ==

Individuando i tempi di arrivo dell’onda diretta, td , e dell’onda riflessa, tr , èpossibile ricavare la velocità di propagazione dell’onda sismica (VP1) e lospessore dello strato (H)

1Pd V

tdirettaonda =

1212

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Riferendosi alla legge di Snell, si hanno i due possibili casi:1) se VP2 > VP1 il raggio rifratto si allontana dalla normale alla superficie di

separazione


MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO A RIFRAZIONE

separazione2) se VP2 < VP1 il raggio rifratto si avvicina alla normale alla superficie di

separazione tra i due stratiNel primo caso (VP2 > VP1), aumentando la distanza fra sorgente e ricevitore(ovvero l'angolo d'incidenza) si raggiunge un angolo critico iC in corrispondenzadel quale l’onda rifratta si propaga lungo la superficie di separazioneL'angolo critico si ottiene dalla legge di Snell considerando un valore all’angolo dirifrazione r di 90°:

( ) V( )2P

1Pc V

Visin =

L’onda orizzontale di velocità VP2genera a sua volta un'onda rifrattadal mezzo 2 al mezzo 1 cheemerge con angolo iC r

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L’onda che segue il percorso SABR è detta onda birifratta

Un passo fondamentale del metodo è determinare se arriva prima al ricevitore l’ondadiretta o l’onda (bi)rifratta: se il geofono è posizionato vicino alla sorgente arriverà primal'onda diretta (l'onda rifratta non esiste); per distanze maggiori onda diretta e rifratta

tempi di arrivo:

l'onda diretta (l'onda rifratta non esiste); per distanze maggiori onda diretta e rifrattasaranno in competizione (l’onda diretta ha un percorso più breve, l'altra viaggia a velocitàmaggiore). Ad una certa distanza xc dalla sorgente, l'onda rifratta supera l'onda diretta

1Pd V

xtdirettaonda =

1414

122

1

1221121

)cos(2)tan()cos(

12)tan(2)cos(

2

P

c

Pc

P

P

cPPP

c

cPPPPr V

iHV

xiVV

iVH

Vx

ViHx

iVH

VBR

VAB

VSAt +=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+=

−+=++=

onda rifratta

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In pratica, riportando in grafico i tempi di arrivo in funzione della distanza x dalla sorgente,si ricostruiscono le dromocrone dell’onda diretta e rifratta. Dalle pendenze si ricavano VP1 eVP2 e quindi ic = arcsen(VP1/VP2).

Prolungando la dromocrona dell’onda rifratta fino a determinare l’intersezione tr0 con l’assedelle ordinate si può determinare lo spessore H con la relazione:

)icos(2VH

c

1P=

1P2P

1P2Pc

VVVV

2xH

+−

=

t

oppure in funzione dell’ascissa xc

del punto di intersezione tra le dromocrone:

xc x

H

1P

c0r V

)icos(H2t =

VP1

VP2 > VP11515



Limitazioni intrinseche del metodo a rifrazione:

inversione di velocità(non si genera l’onda rifratta)

strato nascosto(lo strato è troppo sottile perché l’onda rifratta

t

(non si genera l onda rifratta) ( o a o oppo o p o da a apossa essere distinta da quelle generate dai rifrattori sovrastanti e sottostanti)

t

x

H1VP1

VP2 < VP1

1616

H2

VP3 > VP2

x

H1VP1

VP2 > VP1 H2

VP3 > VP2

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MISURE SISMICHE SUPERFICIALI Esempio di risultati di prospezione sismica a rifrazione con elaborazione standard per

rifrattori (GRM) e tomografica

Con una particolare elaborazione degli stendimenti sismici è possibile realizzare le così dette tomografie sismiche 1717

SVANTAGGIimpossibilità di indagare con la stessa affidabilità profondità elevate (> 30 m)


MISURE SISMICHE SUPERFICIALIMETODI A RIFLESSIONE E RIFRAZIONE

impossibilità di indagare, con la stessa affidabilità, profondità elevate (> 30 m)misura di valori di velocità mediati su ampi volumi di terrenoimpossibilità di rilevare strati sottili a differente rigidezzaelevati ingombri arealimaggiori incertezze sulla misura della velocità delle onde S

VANTAGGInon invasive e con impatto ambientale nullo (tranne il caso delle esplosioni)economiche (ottime per indagini preliminari)si possono coprire vaste aree

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COSTI E AFFIDABILITÀPer quanto riguarda i costi, le prospezioni sismiche a riflessione e a rifrazione sicollocano rispetto alle altre prove sismiche in una fascia bassa con affidabilitàdelle misure media

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In generale le prospezioni sismiche di superficie che adottano le tecniche ariflessione e rifrazione consentono soltanto una descrizione sommaria del sito;


MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODI SWM

riflessione e rifrazione consentono soltanto una descrizione sommaria del sito;risultano particolarmente efficaci per la localizzazione di strati con elevatocontrasto di impedenza (ad es. per l’individuazione del bedrock o di cavità).

Un recente sviluppo delle prospezioni di superficie è rappresentato dai metodiSWM (Surface Wave Methods).Queste tecniche consentono di ricostruire profili di rigidezza del sito a partireda misure della velocità delle onde di Rayleigh (VR)

sorgente ricevitori

Onde di Rayleigh

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Alla base di questi metodi vi è la constatazione che la profondità investigata, z, èproporzionale alla lunghezza d’onda della perturbazione, λ (λ/3≤ z ≤ λ/2).Inoltre, in un mezzo non omogeneo (mezzo dispersivo), la velocità dipropagazione delle onde di Rayleigh dipende dalla lunghezza d’onda e dalla



p p g y g p gfrequenza di eccitazione. Supponendo che l’eccitazione sia rappresentata da unavibrazione sinusoidale continua di frequenza f, la differenza di fase φ tra lospostamento verticale in corrispondenza della sorgente e di un punto P ad unacerta distanza x dalla sorgente è legata al tempo di viaggio dell’onda dallasorgente a P, ovvero alla sua velocità di propagazione VR (velocità di fase, Vφ).

2020

RR Vxf

Vx ⋅⋅=

⋅=

πωϕ 2 Ad una distanza parialla lunghezza d’ondaλ, φ = 2π, da cui:

fT

VVR ⋅=== λλϕ

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Le prime misure sismiche superficiali consistevano nell’applicare in superficie alterreno una sorgente vibratoria sinusoidale di frequenza f e nel trovare laposizione del ricevitore più vicina in cui la vibrazione rilevata fosse in fase conquella della sorgente, ovvero la lunghezza d’onda λ, così da ottenere la velocità difase VR. Modificando la frequenza dell’eccitazione, si costruiva la curva cheesprime la variazione della velocità di fase con la frequenza o con la lunghezzad’onda (curva di dispersione).

2121

Al diminuire della frequenza f (ovvero all’aumentare della lunghezza d’onda λ),aumenta, oltre all’entità dello spostamento massimo (ampiezza dell’onda), anchelo spessore dello strato superficiale interessato dal passaggio dell’onda.



Schematizzando il terreno come un semispazio elastico omogeneo (mezzo nondispersivo), la curva di dispersione delle velocità di fase è costante, perché Vφ èindipendente dalla frequenza dell’eccitazione. Se il semispazio elastico è costituitoda uno strato di spessore finito seguito da uno strato infinitamente esteso,p g ,entrambi omogenei ma di caratteristiche diverse l’uno dall’altro (mezzodispersivo), la velocità di fase varia con la frequenza: per alti valori di f (bassivalori di λ, profondità investigata limitata), Vφ tende al valore caratteristico dellostrato superficiale; per bassi valori di f (alti valori di λ, maggiore profonditàinvestigata), Vφ tende al valore caratteristico dello strato inferiore.

2222

12



Determinata Vφ = VR, si ricava la velocità delle onde di taglio VS nei diversi strati:

VR(z) → VS(z); 95.086.0 ≤≤S

R

VV a seconda del valore del coefficiente di Poisson ν.

Nei casi reali più complessi si possono applicare le stesse considerazioni anche

Diventa così necessario ricorrere aprocedure numeriche iterative(inversione), che permettono di ottenereil profilo di rigidezza del sito piùprobabile, ovvero quello a cuicorrisponde una curva di dispersione che

Nei casi reali, più complessi, si possono applicare le stesse considerazioni, anchese l’attribuzione delle velocità di fase ricavate dalla curva di dispersione ai singolistrati è molto più incerta.

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p psia il più vicino possibile a quella ottenutasperimentalmente. In ogni caso, sidovrebbe già possedere una conoscenzaminima della stratigrafia del sottosuolo(ad esempio attraverso sondaggi), inmodo da poter controllare il modelloottenuto dalla procedura di inversione.

La principale tecnica SWM oggi utilizzata è il metodo SASW (Spectral Analysis of


MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO SASW

p p gg ( p ySurface Waves).Il metodo utilizza due ricevitori disposti simmetricamente rispetto alla verticale daesplorare, ed una sorgente, allineata con i ricevitori, che consiste in un impulsoverticale realizzato con un martello o con un peso lasciato cadere da un’altezzanota. L’insieme dei ricevitori (geofoni) e della sorgente è detto stendimento.La prova viene ripetuta aumentando progressivamente l’interasse fra i geofoni(che rimangono posizionati simmetricamente rispetto alla sorgente, lungo lostesso allineamento), ed adottando come sorgente martelli o pesi via via piùstesso allineamento), ed adottando come sorgente martelli o pesi via via piùgrandi. L’energia richiesta è infatti tanto maggiore quanto maggiore è lalunghezza dell’onda che si vuole generare, ovvero quanto maggiore è laprofondità di investigazione (per questo non si va in genere oltre i 40 m).

2424

13

Nel caso in cui vengano impiegati più ricevitori la prova è detta provamulticanale FK (frequenza, F, numero d’onda, K) oppure prova MASW



(Multichannel Analysis of Surface Waves)I ricevitori sono disposti ad interasse costante pari ad x mentre la sorgente èallineata con essi e posta a distanza d, fatta variare durante la provaIl vantaggio della prova multicanale consiste nella possibilità di elaborare unmaggior numero di segnali da cui ricavare un profilo di rigidezza più attendibile

1 2 nsorgente ricevitori

x xd

2525

1) i ricevitori verticali sono posizionatisimmetricamente rispetto alla



TECNICA DI PROVA

simmetricamente rispetto allaverticale da esplorare CL

2) la sorgente è allineata ai ricevitori,a distanza d da uno di essi (dinorma il primo valore è d=1m)

3) viene eseguita l’energizzazione verticale, attivando la registrazione dell’impulso con opportuno

ti i (t i )d d d

anticipo (trigger)4) viene spostata la sorgente in maniera diametralmente opposta rispetto alla

verticale da esplorare e ripetuto il passo precedente (questa procedurapermette di eliminare gli effetti dovuti all’inclinazione degli strati)

5) la procedura è ripetuta aumentando progressivamente d (è necessarioaumentare d in quanto con ogni configurazione è possibile esplorare solo untratto della curva di dispersione)

2626

14

I ricevitori impiegati sono geofoni di superficie (con trasduttori di velocitàposizionati verticalmente) con frequenze naturali comprese tra 1 e 10Hz



Il tipo di sorgente varia in funzionedella profondità da investigare ovverodella lunghezza d’onda da generareVengono generalmente impiegatimartelli di massa modesta (1-8kg) pergenerare perturbazioni con piccolelunghezze d’onda oppure masseelevate (2-3t) fatte cadere da 2-3m dialtezza per generare onde sismichecon elevati valori di λ.

2727

La procedura seguita per l’inversione di misure SASW (o MASW) è la seguente:



INVERSIONE DELLA CURVA DI DISPERSIONE

a p ocedu a segu ta pe e s o e d su e S S (o S ) è a segue te

1. discretizzazione della verticale esplorata in strati (supposti orizzontali, elastici,omogenei e isotropi) poggianti su semispazio elastico

2. assegnazione di valori di tentativo ai parametri geometrici e geotecnici deglistrati e del semispazio (spessore, d, velocità delle onde di taglio, VS,coefficiente di Poisson, ν, e densità, ρ)

3 aggiustamento dei parametri del3. aggiustamento dei parametri delmodello (rigidezze e spessori) fino araggiungere il miglior accordo fra lacurva di dispersione teorica e quellasperimentale

2828

15


MISURE SISMICHE SUPERFICIALI - METODO

SASW

INVERSIONE DELLA CURVA DI DISPERSIONE

2929

Confronto fra curva di dispersione teorica e curva di dispersione sperimentale



3030

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non invasive e con impatto ambientale nulloeconomicheconsentono di coprire aree estese


TECNICHE BASATE SULLE ONDE SUPERFICIALIVANTAGGI

consentono di coprire aree estesepermettono di caratterizzare depositi stratificati orizzontalmenteindividuano bene strati di materiali soffici superficiali sopra strati più rigidi

poco affidabili a profondità maggiori di 40 m (che richiederebbero comunquemaggiori energizzazioni), per indagare le quali sono necessarie lunghezze d’ondaelevate, corrispondenti a basse frequenze, campo in cui in genere si concentraanche il rumorenon adatte a terreni sovraconsolidati (in genere sottostimano VS)

SVANTAGGI

non adatte a terreni sovraconsolidati (in genere sottostimano VS)molto sensibili ai disturbi ambientalii modelli numerici adottati per l’inversione devono essere utilizzati con accortezza(una scelta sbagliata del modello o dei parametri può compromettere i risultati)spesso sono richieste nell’interpretazione interventi soggettivi dell’operatore

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COSTI E AFFIDABILITÀLe prospezioni sismiche basate sull’analisi di onde superficiali si collocano rispettoalle altre prove sismiche in una fascia media

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