9 Terremoti AA-2012_13 - Università degli Studi di Firenze
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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI FIRENZE DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE e AMBIENTALE Sezione Geotecnica I Terremoti Origine, propagazione, ‘misura’ Placche tettoniche Prof. Ing. Claudia Madiai prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica I terremoti ¾ I terremoti (dal latino terrae motu) sono vibrazioni del suolo prodotte dal brusco rilascio di energia meccanica accumulata nel tempo in zone profonde della crosta terrestre per effetto di complesse dinamiche che interessano il pianeta e che producono nelle rocce degli stati di sforzo che aumentano nel tempo ¾ Sotto l’effetto di tali sforzi la roccia si deforma proporzionalmente all'energia accumulata fino a raggiungere il limite di rottura ¾ A quel punto la massa rocciosa si rompe creando una frattura nella crosta terrestre (faglia) lungo la quale si verifica un movimento relativo dei due blocchi di roccia con liberazione di energia che viene in parte dissipata sotto forma di calore, in parte come lavoro per compiere lo spostamento ed d in i parte t sii propaga sotto tt forma f di onde d sismiche i i h (teoria del rimbalzo elastico) 2 1 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Origine dei terremoti ¾ L’origine dei terremoti viene spiegata ricorrendo alla “Teoria delle placche” basata sulla constatazione che i terremoti hanno origine in fasce ristrette e ben definite del globo ¾ Secondo la Teoria delle placche la parte più esterna del globo (litosfera) è fratturata in grandi pezzi, chiamati placche o zolle Piccola % dei terremoti annuali nel mondo 3 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Origine dei terremoti ¾ Le zone di maggiore concentrazione dei terremoti coinciderebbero con i bordi delle placche ¾ Le zolle litosferiche principali sono 7, con dimensioni di migliaia di km2; comprendono crosta continentale o oceanica o di entrambi i tipi; numerose sono le zolle secondarie (anche molto piccole) 4 2 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Teoria della deriva dei continenti La teoria delle placche nasce dalla teoria della deriva dei continenti (Alfred Wegener, 1912), basata sull’ipotesi che i continenti attuali si siano formati per smembramento di un unico supercontinente (Pangea) e che le dinamiche di separazione p siano tuttora in atto 5 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Teoria della deriva dei continenti 6 3 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Origine dei terremoti A causa dei moti convettivi all’interno dell’astenosfera, le placche che compongono la litosfera si spostano orizzontalmente Zona di subduzione Dorsale Zona di subduzione • Litosfera = crosta e parte superficiale del mantello • Rigida e discontinua • Lungo le discontinuità si generano i terremoti 7 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Placche tettoniche Terra Uovo Raggio medio terrestre Rt ≅ 6370 km S Spessore medio di li litosfera f St ≅ 100 km k St/Rt ≅ 1.6% Raggio medio uovo Ru ≅ 20 mm Spessore guscio Su ≅ 0.38 mm Su/Ru ≅ 1.9% 8 4 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Origine dei terremoti Nel movimento, i margini delle placche tendono ad entrare in collisione (‘margini convergenti’), ad allontanarsi (‘margini divergenti’) o a scorrere l’uno contro l’altro (‘margini trascorrenti’) 9 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Origine dei terremoti ¾ Lo spessore delle placche è di circa 70 km sotto gli oceani e circa il doppio sotto i continenti ¾ In corrispondenza dei margini divergenti il materiale caldo risale verso la superficie, le placche tendono a espandersi muovendosi come corpi rigidi e, a causa del diverso peso, alcune di esse tendono a scorrere le une sotto le altre (‘subduzione’) 10 5 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Origine dei terremoti I terremoti più profondi sono generati in corrispondenza delle zone di subduzione 11 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Origine dei terremoti Le zone di subduzione sono quelle in cui avvengono i terremoti più violenti e frequenti (es. Giappone) 12 6 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Origine dei terremoti Le placche tettoniche si muovono con una velocità di 1÷10 cm/anno (paragonabile alla velocità di crescita delle unghie delle mani) 1-2 1-3 1-3 4-5 9-10 1-3 7 7 5-7 13 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Origine dei terremoti Placche divergenti ¾ si origina nuova crosta terrestre ¾ si generano terremoti superficiali a basso contenuto energetico Movimento veloce Movimento lento (es. African Rift Valley) 14 7 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Origine dei terremoti Placche convergenti ¾ la p placca p più densa subduce e dalla collisione si modificano ((o originano) le catene montuose ¾ si generano terremoti a varie profondità ed elevato contenuto energetico Convergenza oceano/continente Convergenza continente/continente (es. Rocky Mountains) 15 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Origine dei terremoti Placche trascorrenti ¾ Le placche scorrono orizzontalmente l’una l una contro l’altra l altra per cui non si genera né si distrugge crosta terrestre Faglia trascorrente semplice (es. Faglia di S. Andrea, California) Faglia trascorrente ai due lati di una dorsale 16 8 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Origine dei terremoti ¾ Lungo i margini delle placche (non netti, ma costituiti da ampie fasce, anche centinaia di Km), i movimenti generano sforzi la cui entità aumenta nel tempo e dipende da molti fattori (pressione, t temperatura, t ecc.)) ¾ Quando gli sforzi superano la resistenza a rottura della roccia l’energia potenziale precedentemente accumulata si trasforma in energia cinetica ¾ Il piano di scorrimento è denominato “faglia” Fratture secondarie Area di scorrimento Faglia A Area della dislocazione Superficie con asperità 17 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Origine dei terremoti TIPI DI FAGLIE African Rift Valley diretta (o normale) USGS photographs Himalayas, Rocky Mountains inversa San Andreas, Calif., N. Anatolian trascorrente 18 9 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Faglie e fratture secondarie 19 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Faglie e fratture secondarie 20 10 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Faglie e fratture secondarie 21 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Faglie e fratture secondarie Haiti, 2010 22 11 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Origine e propagazione delle onde sismiche ¾ Una parte di energia liberata dalla frattura genera delle vibrazioni, ovvero delle onde elastiche (‘onde sismiche’) che si propagano in tutte lle di direzioni i i fi fino a raggiungere i lla superficie fi i terrestre ¾ Il punto dove ha origine la frattura si chiama ipocentro ¾ Il punto della superficie terrestre che si trova sulla verticale condotta dall’ipocentro si chiama epicentro epicentro crosta litosfera ipocentro 23 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Origine e propagazione delle onde sismiche stazione accelerometrica Onde sismiche ¾ Onde di volume: onde d di superficie epicentro - onde P (Primae) - onde S (Secundae) ¾ Onde di superficie: -o onde de di d Rayleigh ay e g onde di volume ipocentro - onde di Love I vari tipi di onde sismiche viaggiano a diverse velocità e deformano in diverso modo i materiali attraversati 24 12 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica ampiezza Scuotimento sismico registrato in una stazione accelerometrica rumore di fondo onde di volume onde P onde di superficie rumore di fondo onde S tempo (in secondi) INIZIO TERREMOTO FINE TERREMOTO 25 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Origine e propagazione delle onde sismiche Onde di volume Onde di volume Onde di superficie 26 13 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Fenomeni fisici associati alla propagazione delle onde sismiche in corrispondenza delle superfici di contatto stratigrafico si generano onde P ed S riflesse e rifratte 27 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Localizzazione dell’epicentro dei terremoti Il fatto che le onde P e S si propaghino con diversa velocità viene utilizzato per localizzare l’epicentro di un terremoto Si ha infatti: s Δ tS = VP Δ VS (s) tP = tS − tP = Δ VS − Δ= (km) ⎛ 1 1 = Δ ⎜⎜ − VP ⎝ VS VP Δ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ tS − tP 1 1 − VS VP 28 14 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Localizzazione dell’epicentro dei terremoti Il percorso avviene prevalentemente all’interno di roce dure, dove la velocità delle onde P e delle onde S non è molto variabile (VP ≅3÷8 km/s; VS ≅2÷5 km/s ); perciò rilevando dal sismogramma il valore della quantità tP – tS si risale alla distanza epicentrale Δ La posizione dell’epicentro è sulla circonferenza di raggio pari a Δ con centro nella stazione di registrazione ⇒ con 3 stazioni è possibile identificare la posizione dell’epicentro 29 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica ‘Misura’ dei terremoti Con ‘misura’ di un terremoto si intende in senso generale la misura dell’energia da esso rilasciata Per la misura di un terremoto si può ricorrere a: 1. Stima indiretta tramite la valutazione qualitativa degli effetti percepiti dall’uomo e prodotti sull’ambiente costruito, secondo una determinata scala parametro di riferimento: Intensità Macrosismica 2. Stima indiretta q quantitativa attraverso la misura di parametri desunti da registrazioni strumentali parametro di riferimento: Magnitudo 3. Valutazione “diretta quantitativa” parametro di riferimento: Momento Sismico 30 15 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica ‘Misura’ dei terremoti: Intensità macrosismica Sintesi della scala MCS Grado di Intensità I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Descrizione Rilevato solo dai sismometri Molto lieve Lieve Moderato Abbastanza forte Forte Molto forte Distruttivo Fortemente distruttivo Rovinoso Catastrofico Completamente catastrofico 31 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica ‘Misura’ dei terremoti: Intensità macrosismica Correlazione tra scale di Intensità Rossi Forel (RF) Max (gradi) 10 Mercalli Cancani Sieberg (MCS) Mercalli ll Modificata df ( (MM) ) Medvedev Sponheuer Karnik (MSK) Japan Meteorological Agency (JMA) 12 12 12 8 Scale di Intensità 32 16 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica ‘Misura’ dei terremoti: Intensità macrosismica Esempi di isosisme Terremoto di Piancastagnaio, 1920 33 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica ‘Misura’ dei terremoti: Intensità macrosismica Esempi di isosisme Terremoto dell’Irpinia, 1930 34 17 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica ‘Misura’ dei terremoti Sismoscopio di Ghang Hen (II sec d.C.) 35 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica ‘Misura’ dei terremoti Il funzionamento di un sismografo si basa sul principio di inerzia (base fissa solidale al suolo, massa mobile dotata di notevole inerzia) 36 18 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica ‘Misura’ dei terremoti Pendolo sismoscopico “Cecchi” e sismografo a doppio pendolo (Osservatorio Ximeniano, Firenze) 37 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica ‘Misura’ dei terremoti Sismometro moderno tipo Willmore (H=33 cm) Sismometro elettromagnetico o elettrodinamico ((a corto t periodo): i d ) una bobina b bi sii muove in un campo generato da un magnete permanente. La forza inerziale prodotta dal moto del suolo sposta la massa dalla sua posizione di equilibrio, e lo spostamento, o la velocità, della massa sono convertiti in un segnale elettrico Vite di regolazione e indicatore del periodo proprio ( lungo (a l periodo): i d ) la l forza f inerziale è bilanciata da una forza generata elettricamente in modo che la massa si muova il meno possibile. Per osservare la forza inerziale il movimento deve essere di entità significativa 38 19 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica ‘Misura’ dei terremoti Rete sismometrica 39 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica ‘Misura’ dei terremoti: Magnitudo locale Magnitudo locale (M o ML) ¾ Definizione originaria (Richter, 1930): ML = log A con A=ampiezza massima delle onde sismiche (in micron) registrata da un sismografo standard (Wood- Anderson) situato a 100 Km di distanza dall’epicentro ¾ Dalla definizione risulta: • ML =0 per un terremoto che produce uno spostamento massimo di un micron su un sismografo standard posto a 100 km di distanza • ML è una grandezza continua che non ha limite superiore o inferiore (si registrano comunemente terremoti con ML<0; il massimo ML ad oggi osservato è circa 9.5 per il terremoto del Cile, 1960) 40 20 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica ‘Misura’ dei terremoti: Magnitudo locale Magnitudo locale (M o ML) ¾ L’energia E (in joule) rilasciata da un terremoto, ovvero la sua potenza t di disruttiva, tti può ò essere correlata l t alla ll magnitudo it d locale l l mediante la relazione (Gutemberg e Richter, 1956): E = 10 ( 11.8 + 1.5 M ) ne consegue che, essendo E2/E1=101.5(M2-M1) , una differenza di una unità di magnitudo corrisponde ad una differenza di circa 30 volte in termini di energia, una differenza di 2 unità di magnitudo corrisponde ad una differenza di 1000 volte in termini di energia, ecc.. ¾ Non disponendo generalmente di uno strumento alla distanza di 100 Km si pone: ML = log A – log A0 con A =ampiezza massima registrata alla distanza effettiva dall’epicentro; A0 =ampiezza di riferimento alla stessa distanza per un evento di magnitudo 0 (calcolato per distanze maggiori e minori di 100 Km e riportato in appositi abachi e tabelle) 41 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Calcolo della Magnitudo locale Grafico per la determinazione della Magnitudo locale TS-TP = 35 s Ao (300) OSS: Ao (100)= 0.001 mm ¾ La Magnitudo locale viene calcolata mediante appositi grafici; non è pertanto una ‘misura’ in senso stretto ¾ La Magnitudo locale non fa distinzione tra i diversi tipi di onde ¾ È indicata per la ‘misura’ di terremoti piuttosto superficiali registrati a distanza epicentrale minore di circa 600 km 42 21 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Altri tipi di Magnitudo Magnitudo basata sull’ampiezza delle onde di volume (mb) ¾ È calcolata a partire dall’ampiezza dei primi cicli di onde P, mediante la relazione: mb = logA – logT +0.01Δ+5.9 con A = ampiezza massima (in micron) delle onde P T = periodo prevalente delle onde P (generalmente ≅1s) Δ = distanza epicentrale, misurata in gradi (rispetto alla circonferenza terrestre) ¾ È indicata per la ‘misura’ di terremoti profondi e registrazioni vicine all’epicentro (le onde P non sono molto influenzate dalla profondità ipocentrale ) 43 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Altri tipi di Magnitudo Magnitudo basata sull’ampiezza delle onde di superficie (MS) ¾ È calcolata a partire dall’ampiezza delle onde superficiali di Rayleigh mediante la relazione: MS = logA +1.66 logΔ+2.0 con A= ampiezza massima (in micron) dello spostamento del terreno Δ = distanza epicentrale, epicentrale misurata in gradi (rispetto alla circonferenza terrestre) ¾ È indicata per la ‘misura’ di terremoti superficiali (profondità ipocentrale < 70 km), di media e elevata intensità, registrati a grandi distanze dall’epicentro (oltre 1000 km circa) 44 22 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Altri tipi di Magnitudo Magnitudo momento o Momento sismico (MW) ¾ Le definizioni di ML, mb, MS si basano sull’ampiezza delle onde sismiche rilevate mediante registrazioni strumentali ¾ Sono grandezze correlate empiricamente all’energia rilasciata, non una misura dell’energia ¾ In realtà, per terremoti forti, le caratteristiche del moto sismico (e quindi anche l’ampiezza) diventano meno sensibili alla quantità di energia rilasciata (fenomeno noto come saturazione che si verifica intorno a 6÷7 gradi per ML e mb e intorno a 8 per MS) ¾ Per ovviare a questo problema è stata introdotta la magnitudo momento: MW= log M0/1.5 - 10.7 con M0 (in dyn⋅cm) = momento sismico = τ⋅A⋅D essendo τ = resistenza a rottura della roccia in corrispondenza della superficie di faglia; A=area di faglia interessata dalla rottura; D=spostamento relativo medio delle superfici di faglia 45 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Altri tipi di Magnitudo D=spostamento relativo medio Fattori A e D che concorrono al calcolo del momento sismico A A=area della dislocazione Confronto tra diversi tipi di Magnitudo ) l’energia di un terremoto di magnitudo 4 è paragonabile a quella prodotta dall’esplosione di 1000 tonnellate di tritolo 46 23 prof. ing. Claudia Madiai Corso di Ingegneria Geotecnica Sismica Fenomeni fisici associati alla propagazione delle onde sismiche ¾ I principali fenomeni che avvengono nel cammino delle onde sismiche dalla sorgente al sito sono: 1) perdita di energia per: - radiazione geometrica (geometrical damping) - rifrazione e riflessione onde sismiche (scattering) - smorzamento interno dei materiali attraversati (material damping) 2) verticalizzazione del cammino di propagazione ¾ Le L principali i i li conseguenze dei d i suddetti dd tti fenomeni f i sono: • in un sottosuolo ideale (rigido e pianeggiante) la severità dello scuotimento si attenua con la distanza dall’epicentro • ad una certa distanza dall’epicentro, il moto sismico (dovuto prevalentemente alle onde S, che hanno ampiezza maggiore) è all’incirca orizzontale 47 24
