Dott. Massimo Trossero, geologo
Studio di geologia e geotecnica
Studio: via Garibaldi, 15 - Laboratorio:XXV Aprile, 20 - 10042 Nichelino
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COMUNE DI GIAVENO
PROVINCIA DI TORINO
Determinazione della Vs30 ai sensi
dell’ordinanza ministeriale 3274 e s.m.i.
I.T.C. Blaise Pascal
VIA CARDUCCI, 4
Il geologo incaricato:
Massimo Trossero
Data: Giugno 2007
Dott. Massimo Trossero Geologo, CF TRSMSM61C04L219R, P. IVA 06873380015
Sommario
PREMESSA................................................................................................................................... 1
Scopo delle indagini ..................................................................................................................................................... 1
Prove SASW Multicanale (MASW) ........................................................................................................................ 2
Vantaggi delle prove SASW Multicanale (MASW) ................................................................................................ 2
CENNI TEORICI SULLE INDAGINI SISMICHE CON ONDE SUPERFICIALI .............. 3
STRUMENTAZIONE UTILIZZATA ......................................................................................... 5
MODALITÀ DI ACQUISIZIONE .............................................................................................. 5
RISULTATI OTTENUTI ............................................................................................................. 5
Elaborazione dati.......................................................................................................................................................... 5
Curva di dispersione e modello di distribuzione della Vs ............................................................................................ 6
Valore di Vs30............................................................................................................................................................. 6
CONSIDERAZIONI LITO-STRATIGRAFICHE ..................................................................... 6
PROPRIETÀ DINAMICHE DEL TERRENO .......................................................................... 7
ATTRIBUZIONE DELLA CATEGORIA DI SUOLO AL SITO ............................................. 8
Determinazione della Vs30 ai sensi dell’ordinanza ministeriale 3274 e s.m.i.
dott. Massimo Trossero geologo
tel 3384878695
Premessa
La presente relazione è redatta nell’ambito dell’incarico conferitoci verbalmente da parte dell’
ing. Adriano Castagnone per la attribuzione della categoria sismica al terreno di fondazione del
complesso scolastico denominato I.T.C. Blaise Pascal ai sensi dell’Ordinanza Presidente
Consiglio dei Ministri 3274 e sue modifiche ed integrazioni. In quanto ai sensi dell’art. 3
dell’ordinanza, la zona sismica 3 e la destinazione dell’edificio impongono la verifica
dell’esistente ai sensi delle nuove norme.
Scopo delle indagini
La caratterizzazione del terreno dal punto di vista sismico in particolare e dinamico in generale
richiede come elemento indispensabile la conoscenza del profilo di velocità delle onde di taglio
Vs degli strati di terreno presenti nel sito, fino alla profondità di almeno 30 m dal piano
campagna, secondo quanto richiesto dalle sopraccitate normative.
Il profilo delle onde di taglio Vs nei primi 30 m di profondità risulta necessario per:
• · valutare l’azione sismica di progetto al livello delle fondazioni di qualunque struttura
• · valutare il rischio di liquefazione del terreno in sito
• · valutare rischi di instabilità dei pendii e/o delle opere di sostegno
• · valutare i cedimenti dei rilevati stradali, delle opere di sostegno, delle fondazioni degli
edifici
• · valutare la trasmissione delle vibrazioni generate dai treni, dalle macchine vibranti,
dalle esplosioni in superficie o in sotterraneo, dal traffico veicolare
Lo scopo delle prove svolte è di determinare la categoria sismica del terreno (A, B, C, D, E)
secondo quanto indicato dalla nuova normativa sismica (OPCM 3274 e s.m.i.) e dagli eurocodici
7 e 8. La categoria del terreno consente di quantificare l’amplificazione sismica, di definire lo
spettro di risposta sismico del sito e quindi di determinare le azioni sismiche agenti sulle opere
che interagiscono con il terreno.
Per la definizione dell’azione sismica di progetto la nuova normativa sismica identifica le
seguenti categorie di profilo stratigrafico del suolo di fondazione (le profondità si riferiscono al
piano di posa delle fondazioni):
A - Formazioni litoidi o suoli omogenei molto rigidi caratterizzati da valori di VS30
superiori a 800 m/s, comprendenti eventuali strati d’alterazione superficiale di spessore
massimo pari a 5 m.
B - Depositi di sabbie o ghiaie molto addensate o argille molto consistenti, con spessori di
diverse decine di metri, caratterizzati da un graduale miglioramento delle proprietà
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meccaniche con la profondità e da valori di VS30 compresi tra 360 m/s e 800 m/s (ovvero
resistenza penetrometrica N SPT > 50, o coesione non drenata cu >250 kPa).
C - Depositi di sabbie e ghiaie mediamente addensate, o di argille di media consistenza, con
spessori variabili da diverse decine fino a centinaia di metri, caratterizzati da valori di
VS30 compresi tra 180 e 360 m/s (15 < N SPT < 50, 70 < cu <250 kPa).
D - Depositi di terreni granulari da sciolti a poco addensati oppure coesivi da poco a
mediamente consistenti , caratterizzati da valori di Vs30 < 180 m/s (N SPT < 15, cu<70
kPa).
E - Profili di terreno costituiti da strati superficiali alluvionali, con valori di VS30 simili a
quelli dei tipi C o D e spessore compreso tra 5 e 20 m, giacenti su di un substrato di
materiale più rigido con VS30 > 800 m/s.
Nelle definizioni precedenti VS30 è la velocità media di propagazione entro 30 m di profondità
delle onde di taglio e viene calcolata a partire dalla velocità delle onde di taglio con la seguente
formula:
dove hi e Vi indicano lo spessore (in m) e la velocità delle onde di taglio (per deformazioni di
taglio γ < 10 -6 ) dello strato i-esimo, per un totale di N strati presenti nei 30 m superiori.
Prove SASW Multicanale (MASW)
Le prove SASW Multicanale servono per determinare il profilo di velocità delle onde di taglio
Vs e quindi:
• · il tipo di suolo sismico (A, B, C, D, E)
• · le azioni sismiche con cui progettare e verificare le opere di Ingegneria Civile
• · il modulo di rigidezza del terreno
• · i cedimenti e gli spostamenti delle opere interagenti con il terreno: edifici, ponti,
rilevati arginali, opere di sostegno, etc..
Vantaggi delle prove SASW Multicanale (MASW)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
· Forniscono il profilo di velocità delle onde di taglio Vs oltre 30m di profondità
· Consentono di individuare il tipo di suolo sismico
· A differenza della sismica a rifrazione, si usano in qualunque situazione stratigrafica,
anche in presenza di falda
· Non sono invasive: non occorre eseguire perforazioni
· Non implicano nessun danneggiamento allo stato dei luoghi e delle cose
· Rapidità e facilità di esecuzione e di elaborazione dati
· Ingombro limitato delle attrezzature per l'esecuzione delle prove
· Mobilità: trasporto agevole della strumentazione necessaria per eseguire le prove
· Elevato rapporto affidabilità/costi
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Cenni teorici sulle indagini sismiche con
onde superficiali
Considerando un semispazio elastico, omogeneo ed isotropo, si dimostra che la velocità di
propagazione delle onde di Rayleigh è indipendente dalla frequenza e che il moto indotto dalla
propagazione si smorza rapidamente con la profondità, sino ad estinguersi ad una profondità
circa pari ad una lunghezza d’onda. Ciò vuol dire che la profondità raggiunta dipende dalla
lunghezza d’onda, e che, a diverse lunghezze d’onda corrisponde la stessa velocità di fase (VR).
In un mezzo verticalmente eterogeneo, costituito cioè da strati aventi proprietà meccaniche
differenti, il comportamento delle onde superficiali è differente. In particolare, la propagazione
presenta un comportamento dispersivo (a frequenze diverse corrispondono diverse velocità di
fase). Ciò vuol dire che, lunghezze d’onda diverse interessano strati diversi ai quali sono
associati proprietà meccaniche diverse: ogni lunghezza d’onda si propaga ad una velocità di fase
che dipende dalle caratteristiche dello strato interessato dalla propagazione (figura 2).
Quindi, nel caso di mezzo eterogeneo, le onde superficiali non hanno una singola velocità, ma
una velocità di fase che è funzione della frequenza: tale fenomeno, dipendente dalla
distribuzione spaziale delle proprietà sismiche del sottosuolo è noto come dispersione
geometrica e la relazione che lega la frequenza alla velocità di fase prende il nome di curva di
dispersione. Alle alte frequenze, la velocità di fase coincide con la velocità delle onde di
Rayleigh dello strato più superficiale, mentre, alle basse frequenze, l’effetto degli strati più
profondi diventa importante, e la velocità di fase tende asintoticamente alla velocità dello strato
più profondo come se questo fosse esteso infinitamente in profondità. La curva di dispersione
gioca un ruolo centrale nell’utilizzo delle onde di Rayleigh ai fini della caratterizzazione dei
terreni, infatti, è funzione delle caratteristiche di rigidezza del mezzo e, posto di riuscire a
misurarla sperimentalmente, può essere utilizzata (come si vedrà più avanti) per un processo
inverso avente come obiettivo la stima delle caratteristiche di rigidezza stesse.
La propagazione delle onde di Rayleigh in un mezzo verticalmente eterogeneo, è un fenomeno
multi-modale: data una determinata stratigrafia, in corrispondenza di una certa frequenza,
possono esistere diverse lunghezze d’onda. Di conseguenza, ad una determinata frequenza
possono corrispondere diverse velocità di fase, ad ognuna delle quali corrisponde un modo di
propagazione, e differenti modi di vibrazione possono esibirsi simultaneamente.
La curva di dispersione ottenuta elaborando i dati derivanti dalle indagini sismiche col metodo
SWM è una curva apparente, derivante dalla sovrapposizione delle curve relative ai vari modi di
vibrazione, e che per i limiti indotti dal campionamento non necessariamente coincide con
singoli modi nei diversi intervalli di frequenza campionati.
Il processo di caratterizzazione basato sul metodo delle onde superficiali, schematizzato in
Figura 3, può essere suddiviso in tre fasi:
1) Acquisizione;
2) Processing;
3) Inversione.
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I dati acquisiti vengono sottoposti ad una fase di processing che consente di stimare la curva di
dispersione caratteristica del sito in oggetto ovvero, la velocità di fase delle onde di Rayleigh in
funzione della frequenza. Esistono diverse tecniche di processing per estrarre dai sismogrammi
le caratteristiche dispersive del sito. La metodologia più diffusa è l’analisi spettrale in dominio fk (frequenza-numero d’onda). I dati sismici registrati vengono sottoposti a una doppia
trasformata di Fourier che consente di passare dal dominio x-t (spazio tempo) al dominio f-k.
Lo spettro f-k del segnale consente di ottenere una curva di dispersione per le onde di Rayleigh,
nell’ipotesi che nell’intervallo di frequenze analizzato le onde che si propagano con il maggiore
contenuto di energia siano proprio le onde di Rayleigh, e se le caratteristiche del sito sono tali
da consentire la propagazione delle onde superficiali e un comportamento dispersivo delle
stesse. Si dimostra infatti che la velocità delle onde di Rayleigh è associata ai massimi dello
spettro f-k; si può ottenere facilmente una curva di dispersione individuando ad ogni frequenza
il picco spettrale, al quale è associato un numero d’onda k e quindi una velocità delle onde di
Rayleigh VR, determinabile in base alla teoria delle onde dalla relazione:
VR (f) = 2πf/k
Riportando le coppie di valori (VR,f) in un grafico, si ottiene la curva di dispersione utilizzabile
nella successiva fase di inversione. La fase di inversione deve essere preceduta da una
parametrizzazione del sottosuolo, che viene di norma schematizzato come un mezzo (visco)elastico a strati piano-paralleli, omogenei ed isotropi, nel quale l’eterogeneità è rappresentata
dalla differenziazione delle caratteristiche meccaniche degli strati.
Il processo di inversione è iterativo: a partire da un profilo di primo tentativo, costruito sulla
base di metodi semplificati, ed eventualmente delle informazioni note a priori riguardo la
stratigrafia, il problema diretto viene risolto diverse volte variando i parametri che definiscono il
modello. Il processo termina quando viene individuato quel set di parametri di modello che
minimizza la differenza fra il set di dati sperimentali (curva di dispersione misurata) e il set di
dati calcolati (curva di dispersione sintetica). Usualmente, algoritmi di minimizzazione ai
minimi quadrati vengono utilizzati per automatizzare la procedura.
Riassumendo:
In questo metodo anziché considerare il tempo di primo arrivo ai geofoni si utilizza l’intero
segnale registrato. Le misure del moto in superficie sono elaborate per calcolare la velocità di
fase apparente sperimentale delle onde di Rayleigh (curva di dispersione sperimentale) in sito e
successivamente si determina il profilo di velocità delle onde di taglio Vs attraverso un processo
di inversione . Il metodo consiste nell’assumere un profilo di velocità iniziale di primo tentativo
e attraverso un opportuno programma di elaborazione dati si calcola la velocità di fase
apparente delle onde di Rayleigh corrispondente al profilo stratigrafico di velocità ipotizzato
(curva di dispersione teorica). Dal confronto tra la curva di dispersione sperimentale e la curva
di dispersione teorica è possibile modificare opportunamente gli spessori e le velocità del
modello per minimizzare la distanza tra le due curve. Il processo di identificazione del terreno si
conclude quando si raggiunge la sovrapposizione ottimale fra le due curve sperimentale e
teorica.
Le informazioni ottenute con le prove sismiche a rifrazione e SASW Multicanale non sono
puntuali, ma rappresentative della estensione di terreno interessata dallo stendimenti e
baricentriche ad esso, ovvero con la migliore definizione al centro dello stendimento.
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Strumentazione utilizzata
La strumentazione utilizzata è composta da:
• un acquisitore a 24 canali della Seismic Source (DAQLink II System – 24 bit
Acquisition System),
• 24 geofoni a frequenza di 4,5 Hz
• una mazza battente da 8 Kg per la generazione dell’impulso sismico di
energizzazione
Modalità di acquisizione
Il servizio di acquisizione elaborazione è stato fornito dalla società Techgea servizi,
nella persona del geologo Luigi Benente. Le elaborazioni sono state validate dal
responsabile della società, dott Mario Naldi .
L’indagine MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves) è stata effettuata
realizzando uno stendimento lineare di 46 m di lunghezza con 24 geofoni a 4.5 Hz
equidistanziati di 2 m. L’ubicazione è riportata allegati.
Per l’acquisizione dei dati sono state effettuate cinque energizzazioni con mazza
battente da 8 kg, disposte ad un estremo del profilo ad una distanza di 2, 4, 6 e 10 m dal
primo geofono.
Per ogni punto di energizzazione sono stati registrati, per ridondanza, 3 impulsi sismici.
Risultati ottenuti
Elaborazione dati
I dati acquisiti sono stati elaborati con il software Surfseis V. 2.0 (Kansas University,
USA), che analizza la curva di dispersione sperimentale per le onde di Rayleigh.
L’inversione numerica della curva, secondo un processo iterativo ai minimi quadrati,
consente di ottenere un profilo di velocità delle onde di taglio nel sottosuolo (vedasi
spiegazione in Appendice A).
La curva di dispersione relative al MASW è riportata ne allegati.
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Strumentazione utilizzata pagina 5
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Curva di dispersione e modello di distribuzione della Vs
I dati acquisiti sono stati elaborati ottenendo la curva di dispersione sperimentale per le
onde di Rayleigh, la cui inversione numerica, secondo un processo iterativo ai minimi
quadrati, consente di ottenere un profilo di velocità delle onde di taglio nel sottosuolo.
La curva di dispersione utilizzata per i processi di inversione è quella che consente di
raggiungere le maggiori profondità di indagine tra le curve ottenute elaborando i dati
relativi alle energizzazioni esterne agli stendimenti.
Valore di Vs30
I dati acquisiti sono stati elaborati ottenendo una curva di dispersione sperimentale per
le onde di Rayleigh, invertendo la quale, secondo un processo iterativo di
minimizzazione ai minimi quadrati, si è ottenuto un profilo di velocità delle onde di
taglio nel sottosuolo.
La curva di dispersione utilizzata per il processo di inversione è quella che consente di
ottenere il miglior fitting con i dati sperimentali elaborando i dati relativi agli shot
effettuati.
Dai dati di velocità Vs e spessori H si ottiene un valore di Vs30 pari a 576 m/s, che
corrisponde ad un suolo di categoria B (Depositi di sabbie o ghiaie molto addensate o
argille molto consistenti, con spessori di diverse decine di metri, caratterizzati da un
graduale miglioramento delle proprietà meccaniche con la profondità e da valori di VS30
compresi tra 360 m/s e 800 m/s).
Considerazioni lito-stratigrafiche
Il profilo di velocità delle onde “S” evidenzia quanto segue:
Un primo livello superficiale potente circa 5 metri, costituito da terreno areato
costituito verosimilmente da materiale poco addensato.
Uno strato sottostante caratterizzato da depositi a grado di addensamento crescente
fino a –11m cui segue uno strato con inversione di velocità che si spinge fino a-14,7
metri dal piano campagna e quindi con caratteristiche di addensamento più basse.
Da 14,7 m fino alla massima profondità indagata (verosimilmente 31m) il terreno cresce
via via di velocità ma non raggiunge velocità tali da farlo ritenere assimilabile alla roccia
sana.
Non sono noti sondaggi geognostici posti nelle adiacenze che possano supportare tale
valutazioni litologiche che appaiono verosimili.
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Considerazioni lito-stratigrafiche pagina 6
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Proprietà dinamiche del terreno
Considerando i valori di velocità delle onde sismiche S ottenuti nella base studiata, attraverso il
seguente schema, se necessario possono essere ricavati moduli dinamici del sottosuolo in esame e
relativi a ciascun orizzonte sismico:
•
Modulo di taglio:
•
Modulo di Young:
E = 2G (1 +ν )
•
Modulo di incompressibilità o Bulk:
K=
•
Frequenza propria dello strato studiato:
F=Vs/4H
G = ρVs 2
1 E
3 1 − 2ν
Ovviamente mancando in questo caso alcuni parametri essi dovranno essere assegnati in base a
convenzioni, poiché non sono noti il peso di volume ρ ed il coefficiente di Poisson ν, che
fortunatamente non hanno per questi materiali gamme di valori che si scostano poco dalla norma,
e quindi il risultato sarà attendibile note le relative potenze H dei litotipi.
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Proprietà dinamiche del terreno pagina 7
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Attribuzione della categoria di suolo al sito
Al sito dell’ ITC Blaise Pascal, in Giaveno, si può attribuire la Categoria di
suolo B, con un valore pesato di Vs30 pari a 576 m/s
I valori individuati consentono la classificazione del suolo di fondazione ai sensi della
O.P.C.M. n°3274 del 20 marzo 2003 nei confronti di sollecitazioni sismiche,
individuando un profilo stratigrafico del suolo di fondazione di tipo B “ Depositi di
sabbie o ghiaie molto addensate o argille molto consistenti, con spessori di diverse
decine di metri, caratterizzati da un graduale miglioramento delle proprietà
meccaniche con la profondità e da valori di VS30 compresi tra 360 m/s e 800 m/s
(NSPT>50; cu>250 kPa)”.
In fede
Il tecnico incaricato:
Massimo Trossero
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Attribuzione della categoria di suolo al sito pagina 8
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ALLEGATI
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I.T.C.S. Scuole Pubbliche – I.T.C.S. B. Pascal, Giaveno (TO)
Ubicazione non in scala - Linea MASW
Legenda
Linea MASW
G24
G1
I.T.C.S. B. Pascal
Via C
ardu
cci
Dott. Geol. Massimo Trossero
Progetto:
Indagine MASW
Sito:
Giaveno (TO)
Data:
Giugno 2007
Figura 1
I.T.C.S. Scuole Pubbliche – I.T.C.S. B. Pascal, Giaveno (TO)
Curva di dispersione e modello delle velocità Onde Vs
Modello delle velocità
Curva di dispersione
Dott. Geol. Massimo Trossero
Progetto:
Indagine MASW
Sito:
Giaveno (TO)
Data:
Giugno 2007
Figura 2
I.T.C.S. Scuole Pubbliche – I.T.C.S. B. Pascal, Giaveno (TO)
Profilo di Velocità Onde Vs
Vs30 = 576 m/sec (media pesata sugli spessori fino a 30 mt)
Profilo delle velocità onde S
300
400
500
600
700
0
Areato superficiale
-5
Profondità in metri
-10
Depositi mediamente
addensati con inversione
di velocità oltre –11m
-15
800
Profondità dal p.c.
al centro dello stendimento
(metri)
Velocità delle onde S
(m/sec)
-1 (-0.986)
374 (374.304)
-2,2 (-2.219)
332
-3,8 (-3.76)
337 (336.704)
-5,7 (-5.686)
483 (482.645)
-8,1 (-8.093)
532 (532.936)
-11,1 (-11.1029)
440 (439.751)
-14,7 (-14.864)
397 (396.543)
F
-19,6 (-19.566)
503 (502.814)
-25,4 (-25.443)
583 (582.954)
-32 (-31.804)
700 (699.12)
(331.534)
-20
Depositi con grado di
addensamento crescente
-25
rej
us
-30
Velocità in m/sec
Dott. Geol. Massimo Trossero
Progetto:
Indagine MASW
Sito:
Giaveno (TO)
Data:
Giugno 2007
Figura 3
I.T.C.S. Scuole Pubbliche – I.T.C.S. B. Pascal, Giaveno (TO)
Documentazione fotografica
G24
Fre
j
us
Strumentazione
Linea MASW
Dott. Geol. Massimo Trossero
Progetto:
Indagine MASW
Sito:
Giaveno (TO)
Data:
Giugno 2007
Figura 4
