VIBRAZIONI SISMICHE AMBIENTALI

VIBRAZIONI SISMICHE AMBIENTALI
Le vibrazioni sismiche ambientali (rumore sismico) sono onde sismiche di bassa energia
con ampiezze dell’ordine di 10-4 – 10-2 mm (Okada, 2003). In riferimento al contenuto
in frequenza, il rumore sismico è anche chiamato microtremore se contiene alte
frequenze (in genere maggiori di 0.5 Hz) e microsisma per basse frequenze. Per quanto
riguarda l’origine del rumore sismico, è certo che le sorgenti dei microsismi sono le
perturbazioni atmosferiche sugli oceani che si propagano come onde superficiali sui
continenti, mentre le sorgenti dei microtremori sono le attività antropiche come il
traffico veicolare, le attività industriali etc. e si propagano come onde superficiali di
Rayleigh.
Le misure puntuali di rumore sismico possono essere utilizzate per la stima sia degli
effetti di sito (funzione di amplificazione), sia degli effetti sulle costruzioni nel rispetto
della normativa che ne stabilisce la soglia massima (UNI9916).
Rumore sismico ed effetti di sito
Il metodo del rumore sismico per la valutazione degli effetti di sito è ampiamente usato
in Giappone, ma molto meno nel resto del mondo per alcune questioni ancora irrisolte
che riguardano essenzialmente la grande variabilità della sorgente del rumore da un sito
ad un altro e la variabilità del livello del rumore durante il giorno. La ragione
dell’utilizzo sempre maggiore del metodo del rumore risiede nel costo limitato e nella
relativa facilità di misura ed analisi dei segnali.
In relazione agli effetti di sito, l’analisi delle misure di rumore sismico può essere
condotta con tre metodi:
Spettri di Fourier
Rapporti spettrali
Rapporti spettrali H/V
Spettri di Fourier
Il metodo diretto del calcolo degli spettri di ampiezza o di potenza di Fourier è basato
sull’assunzione, proposta da Kanai and Tanaka (1954), che i microtremori siano onde S
incidenti verticalmente e che lo spettro del moto incidente all’interfaccia suolo/roccia
sia bianco. Pertanto il metodo assume che lo spettro del microtremore sia
rappresentativo della funzione di amplificazione sismica degli strati di terreni incorenti
rispetto alla roccia sottostante.
Gli studi effettuati finora hanno messo in evidenza che gli spettri del microtremore non
forniscono risultati affidabili. E’ stata osservata in generale una grossolana correlazione
tra la frequenza del picco massimo degli spettri e le condizioni geologiche di sito.
Inoltre le frequenze di massima ampiezza degli spettri possono essere interpretate come
le frequenze di risonanza del modo fondamentale dei siti investigati. Questa
interpretazione ha avuto finora successo solo per frequenze di picco basse (f<1Hz), per
es. a Città del Messico (Lermo et al., 1988), Los Angeles (Yamanaka et al., 1993) e in
molti siti in Giappone.
Rapporti spettrali
Il metodo dei rapporti spettrali consiste nel calcolo dei rapporti degli spettri di Fourier
delle stesse componenti registrate simultaneamente su siti di terreni incoerenti e su un
sito roccioso vicino. Il metodo presuppone che il moto registrato su roccia sia
rappresentativo del moto che arriva sull’interfaccia roccia/terreni, sotto il sito di terreni
incoerenti. Questo metodo fornisce risultati apprezzabili e in accordo con quelli ottenuti
utilizzando registrazioni di terremoti solo a basse frequenze dove l’origine del rumore è
la stessa per tutti i siti indagati (Yamanaka et al., 1993). Risultati controversi sono stati
invece ottenuti a frequenze più alte (Gutierrez and Singh, 1992).
Rapporti spettrali H/V
La tecnica dei rapporti spettrali H/V consiste nel calcolo del rapporto degli spettri di
Fourier del rumore nel piano orizzontale H (generalmente lo spettro H viene calcolato
come media degli spettri di Fourier delle componenti orizzontali NS ed EW ) e della
componente verticale V. Il metodo è applicabile alle misure di rumore registrate in una
singola stazione posta su sedimenti.
Il metodo è stato introdotto da scienziati giapponesi (purtroppo in lingua giapponese)
agli inizi degli anni ’70, tra i quali Nogoshi e Igarashi (1971) e Shiono et al. (1979), che
indagarono sul significato fisico del rapporto H/V e mostrarono la sua relazione diretta
con la curva di ellitticità delle onde di Rayleigh. Essi conclusero che il picco massimo
di ampiezza si verifica alla frequenza di risonanza fondamentale della copertura di
terreni.
Nel 1989, Nakamura propose in inglese il rapporto H/V come stima affidabile della
funzione di trasferimento delle onde S per un dato sito. Le argomentazioni usate da
Nakamura sono estremamente qualitative e si basano sull’ipotesi che i microtremori
siano originati da sorgenti molto locali, come il traffico vicino al sismometro, e siano
onde di Rayleigh che si propagano in un solo strato su un semispazio.
Assumendo che le sorgenti, essendo molto locali, non eccitano la base dello strato di
sedimenti, è possibile stimare la forma spettrale della sorgente del microtremore, AS,
come funzione della frequenza f, dal rapporto:
AS ( f ) =
VS ( f )
VB ( f )
essendo VS e VB gli spettri di ampiezza di Fourier della componente verticale del moto
rispettivamente sulla superficie e alla base dello strato di sedimenti. Si assume poi che
una stima degli effetti di sito per un terremoto, Se, è dato da:
Se( f ) =
HS ( f )
HB( f )
in cui HS e HB sono gli spettri di ampiezza di Fourier del moto orizzontale,
rispettivamente sulla superficie e alla base dello strato di sedimenti. Per compensare Se
dello spettro della sorgente, Nakamura (1989) suggerisce di calcolare uno spettro
modificato Sm come:
HS
Se( f ) VS
Sm( f ) =
=
AS ( f ) H B
VB
L’assunzione finale è che si verifichi per tutte le frequenze di interesse:
HB
=1
VB
Pertanto, una stima degli effetti di sito è data dal rapporto spettrale tra il moto
orizzontale e verticale sulla superficie.
Numerosi studi, tra i quali quelli di Lermo and Chavez-Garcia (1994), Lachet and Bard
(1994), Field and Jacob (1993), Fäh et al. (2001) hanno concluso che la frequenza del
picco massimo del rapporto H/V è correlato con l’ellitticità sulla superficie del modo
fondamentale delle onde superficiali di Rayleigh. Alla frequenza di risonanza l’ellisse
dello spostamento di Rayleigh cambia segno e il rapporto di Nakamura tende
teoricamente all’infinito, per cui l’ampiezza del rapporto non può essere correlato
all’amplificazione delle onde di taglio.
In conclusione, i migliori risultati per predire gli effetti di sito con le misure di rumore
sismico sono ottenuti con il metodo del rapporto H/V e riguardano solo la frequenza di
risonanza del modo fondamentale dello strato di sedimenti, quando non ci sono effetti
laterali 2D o 3D.
Vibrazioni ed effetti sugli edifici
I criteri di misura e della valutazione degli effetti delle vibrazioni sugli edifici e i valori
di soglia accettabili sono regolati da numerose normative UNI ed ISO. La normativa più
aggiornata è la UNI 9916 del 2004, che fornisce una guida per la scelta di metodi
appropriati di misura e di trattamento dei dati per la valutazione degli effetti delle
vibrazioni sugli edifici. La norma individua la velocità come grandezza da misurare,
ottenuta sia mediante l’utilizzo di velocimetri, sia attraverso integrazione di segnali
accelerometrici. Le vibrazioni devono essere misurate sia in direzione verticale che in
due direzioni orizzontali ortogonali, queste ultime scelte possibilmente con riferimento
agli assi principali dell’edificio. Le modalità di trattamento dei dati dipendono dalla
natura dei segnali da analizzare, di tipo deterministico o non deterministico (aleatorio),
stazionario o non stazionario, periodico o non periodico, dalla loro durata e
distribuzione
di
energia
nel
dominio
della
frequenza.
normativaUNI9916 considera due diverse definizioni di velocità:
In
particolare
la
1) velocita’ di picco puntuale (p.p.v. - “peak particle velocity”), definita come il
valore massimo del modulo del vettore velocità misurato simultaneamente lungo le due
componenti orizzontali e la verticale.
2) velocita’ di picco di una componente puntuale (p.c.p.v. – “peak component
particle velocity”), definita come il valore massimo del modulo di una delle tre
componenti ortogonali misurate simultaneamente.
Per vibrazioni di breve durata (cioè tali da escludere problemi di fatica e amplificazioni
dovute a risonanza nella struttura interessata), la normativa UNI 9916 prevede che sia
misurata la velocità p.c.p.v.. I valori di riferimento sono quelli riportati in Tab. 1 e
riguardano sia le misure in fondazione sia le componenti orizzontali della velocità ai
piani superiori, con particolare riferimento al piano più elevato. Per la componente
verticale dei singoli solai, la norma indica come valore di riferimento per la p.c.p.v. 20
mm/s limitatamente alle prime due classi di edifici. Tale valore è indipendente dal
contenuto in frequenza della registrazione e può essere inferiore per la terza classe di
edifici.
Valori di riferimento per la velocità di vibrazione
p.c.p.v in mm/s
Classe
Tipo edificio
Fondazioni
Da 1 Hz
a 10 Hz
1
Costruzioni industriali
Edifici industriali
Costruzioni simili
20
2
Edifici residenziali
Costruzioni simili
5
3
Costruzioni non classificati in
1 e 2 ma degne di esser
tutelate (es. monumenti)
3
Da 10 Hz
a 50 Hz
Varia
linearmente
da 20 a 40
Varia
linearmente
da 5 a 15
Varia
linearmente
da 3 a 8
Piano alto
Da 50 Hz
a 100 Hz(*)
Varia
linearmente
da 40 a 50
Varia
linearmente
da 15 a 20
Varia
linearmente
da 8 a 10
Per tutte le
frequenze
40
15
8
(*) Per frequenze oltre 100 Hz possono essere usati i valori di riferimento per 100 Hz
Tab. 1 - Tabella dei valori di riferimento per la velocità di vibrazione (p.c.p.v.) al fine
di valutare l’azione delle vibrazioni di breve durata sulle costruzioni.
I valori di riferimento relativi alle vibrazioni con carattere continuo (cioè tali da indurre
fenomeni di fatica o amplificazioni dovute alla risonanza nella struttura interessata)
sono riportati in Tab. 2. I valori sono indipendenti dal contenuto in frequenza del
segnale e riguardano sia le misure in fondazione sia le componenti orizzontali della
velocità ai piani superiori, con particolare riferimento al piano più elevato. Per la
componente verticale dei singoli solai, la norma indica come valore di riferimento per la
p.c.p.v. 10 mm/s limitatamente alle prime due classi di edifici e può essere inferiore per
la terza classe di edifici.
Classe
1
2
3
Tipo edificio
Costruzioni industriali, Edifici industriali e
Costruzioni strutturalmente simili
Edifici residenziali e Costruzioni simili
Costruzioni non classificati in 1 e 2 ma degne di
esser tutelate (es. monumenti)
Valori di riferimento per la velocità di
vibrazione
p.c.p.v in mm/s (per tutte le frequenze)
10
5
2.5
Tab 2 - Tabella dei valori di riferimento per la velocità di vibrazione (p.c.p.v.) al fine di
valutare l’azione delle vibrazioni durature sulle costruzioni.
Per le vibrazioni provocate nelle costruzioni dallo scoppio di mine, dalle attività di
macchine di cantiere e dal traffico su strada e ferroviario, la normativa UNI9916
rimanda per i valori di riferimento alla SN 640312 (1992) (Tab. 3). La grandezza di
riferimento è la velocità p.p.v., cioè il picco nel tempo del modulo del vettore velocità.
La norma è applicabile solo alle vibrazioni di frequenza maggiore di 8 Hz.
Valori di riferimento per la velocità di vibrazione
p.p.v in mm/s
Classe
A
B
C
D
Tipo di costruzione
Costruzioni molto poco
sensibili (per es. ponti,
gallerie, fondazioni di
macchine)
Costruzioni poco
sensibili (per es. edifici
industriali in cemento
armato o metallici)
costruiti a regola d’arte
e con manutenzione
adeguata
Costruzioni
normalmente sensibili
(per es. edifici di
abitazione in muratura
di cemento, cemento
armato o mattoni,
edifici amministrativi,
scuole, ospedali, chiese
in pietra naturale o
mattoni intonacati)
costruiti a regola d’arte
e con manutenzione
adeguata
Costruzioni
particolarmente
sensibili (per es.
monumenti storici e
soggetti a tutela, case
con soffitti in gesso,
edifici della classe C
nuovi o ristrutturati di
recente
Esposizione
Da 60 Hz
fino a 150
Hz
Fino a tre
volte i
valori
corrisponde
nti alla
classe C
Fino a due
volte i
valori
corrisponde
nti alla
classe C
Da 8 Hz
a 30 Hz
Da 30 Hz
a 60 Hz
Occasionale
Frequente
Permanente
Fino a tre volte i
valori
corrispondenti
alla classe C
Fino a tre volte
i valori
corrispondenti
alla classe C
Occasionale
Frequente
Permanente
Fino a due volte i
valori
corrispondenti
alla classe C
Fino a due
volte i valori
corrispondenti
alla classe C
Occasionale
Frequente
Permanente
15
6
3
20
8
4
30
12
6
Occasionale
Frequente
Permanente
Valori compresi
tra quelli previsti
per la classe C e
la loro metà
Valori
compresi tra
quelli previsti
per la classe C
e la loro metà
Valori
compresi tra
quelli
previsti per
la classe C e
la loro metà
Tab. 3 - Valori di riferimento della velocità di vibrazione (p.p.v.) al fine di valutare
l’azione delle vibrazioni transitorie sulle costruzioni.
BIBLIOGRAFIA
Fäh D., F. Kind and D. Giardini, 2001. A theoretical investigation of average H/V ratios.
Geophysical Journal International, 145(2), 535-549.
Field E.H. and K. Jacob, 1993. The theoretical response of sedimentary layers to ambient
seismic noise. Geophysical Research Letters, 20(24), 2925-2928.
Gutierrez, C., and S.K. Singh, 1992. A site effect study in Acapulco, Guerrero, Mexico:
comparison of results of strong-motion and microtremor data. Bull. Seism. Soc. Am., 82, 642659.
Kanai K. and T. Tanaka, 1954. Measurement of the microtremor. Bulletin of the Earthquake
Research Institute Tokyo Univ., 32, 199-209.
Lachet C. and P.-Y. Bard, 1994. Numerical and theoretical investigations on the possibilities
and limitations of Nakamura's technique. Journal of Physics of the Earth, 42(4), 377-397.
Lermo J., M. Rodriguez and S.K. Singh, 1988. Natural periods of sites in the valley of Mexico
from microtremors measurements and strong motion data. Earthquake Spectra. 4(4), 805-814.
Lermo J. and F. J. Chavez-Garcia, 1994. Site effect evaluation at Mexico city: Dominant period
and relative amplification from strong motion and microtremor records. Soil Dynamics and
Earthquake Engineering, 13(6), 413-423.
Nakamura Y., 1989. A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using
microtremor on the ground surface. Quaterly Report Railway Tech. Res. Inst., 30(1), 25-30.
Nogoshi M. and T. Igarashi, 1971. On the amplitude characteristics of microtremor (part 2).
Journal of Seismological Society of Japan, 24, 26-40 (in japanese with english abstract).
Okada H., 2003. The Microtremor Survey Method. Translated by Suto, Society of Exploration
Geophysicists, Geophysical Monograph Series 12, 135 pp.
Shiono, K., Y. Ohta and K. Kudo, 1979. Observation of 1 to 5 sec microtremors and their
applications to earthquake engineering. Part VI: existence of Rayleigh wave components.
Journal of Seismological Society of Japan, 32, 115-124 (in japanese with english abstract).
UNI9916, 2004. Criteri di misura e valutazione degli effetti delle vibrazioni sugli edifici. Norma
italiana, Ente Nazionale Italiano di Unificazione.
Yamanaka H., M. Dravinski and H. Kagami, 1993. Continuous measurements of microtremors
on sediments and basement in Los Angeles, California. Bull. Seism. Soc. Am, 83(5), 1595-1609.