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ONDE SUPERFICIALI Set 1 -­‐ Introduzione Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 1 Cenni storici •  Anni ‘60: o  Sismologia: studio crosta e mantello superiore o  Geofisica applicata: sviluppo sistema di misura per studi superficiali (suoli) o  Controlli non-­‐distruQvi: onde di Rayleigh nella banda degli ultrasuoni per analisi di materiali e superfici •  Anni ’70-­‐’80: –  CaraVerizzazione di sito: onde superficiali per applicazioni a piccola scala (SASW, micro-­‐tremori) •  Anni ‘90: –  Nuovi sviluppi: indagini offshore, ingegneria, s[ma caraVeris[che dinamiche dei suoli, calcolo delle correzioni sta[che per da[ di sismica aQva Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 2 Fondamen[ del metodo •  ObieQvi: Ricavare la distribuzione ver[cale della velocita’ delle onde di taglio Vs(z) e/o del modulo di rigidita’ µ(z) •  Metodo: Analisi della dispersione geometrica delle onde superficiali aVraverso una procedura in quaVro fasi: 1. 
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Acquisizione da[ sismici Analisi da[ sismici Modellazione (simulazione numerica) Inversione •  Onde u[lizzate: Love, Rayleigh, Scholte Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 3 Cosa sono le onde superficiali (1) •  Onde che si propagano parallelamente alla superficie della Terra [quindi non propagano energia verso l’interno (z)] •  L’energia che trasportano si concentra in uno strato superficiale di spessore ≈ una lunghezza d’onda (λ) •  Le proprieta’ fisiche dello strato superficiale influenzano quindi la loro propagazione Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 4 Esempi di Ground Roll Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 5 Esempi di Ground Roll Onde P Onde Rayleigh Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 6 Cosa sono le onde superficiali (2) •  Non sono onde longitudinali ne’ trasverse (moto delle par[celle parallelo o perpendicolare alla direzione di trasporto dell’energia) •  Le par[celle alla superficie del mezzo subiscono un moto CIRCOLARE Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 7 Cosa sono le onde superficiali (3) •  La loro densita’ di energia e’ maggiore, a parita’ di distanza dalla sorgente (r), rispeVo alle onde di volume perche’ si distribuisce su fron[ d’onda di dimensioni inferiori PERCIO’ SONO EVENTI DOMINANTI NELLE REGISTRAZIONI SISMICHE •  L’ampiezza diminuisce esponenzialmente con la profondita’ (z) Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 8 Intensita’ orizzontale in funzione della profondita’ normalizzata Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 9 Cosa sono le onde superficiali (4) •  Dispersione: in mezzi ver[calmente eterogenei, componen[ che hanno diversa frequenza (f) hanno diversa velocita’ di fase. •  Questo [po di dispersione dipende dalla geometria del materiale eterogeneo (e.g. stra[ficazione) e non dalle proprieta’ fisiche di un materiale omogeneo. Si parla quindi di DISPERSIONE GEOMETRICA. Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 10 Velocita’ di fase di onde superficiali in un mezzo omogeneo (a) e stra[ficato (b) Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 11 Esempio di curva di dispersione per onde superficiali Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 12 Modi di oscillazione: variazione di λ a parita’ di frequenza Ampiezza oscillazione La stessa frequenza di oscillazione puo’ tradursi in λ diverse e quindi in velocita’ di fase diverse Distanza Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 13 Propagazione di onde di Rayleigh in mezzo stra[ficato •  In un mezzo stra[ficato la propagazione delle onde di Rayleigh e’ un fenomeno MULTIMODALE ovvero, per una determinata frequenza di oscillazione possono esistere: •  Diverse lunghezze d’onda (e quindi) •  Diverse velocita’ di fase Le diverse velocita’ di fase possono coesistere e corrispondono a diversi MODI di propagazione Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 14 Modo Fondamentale e modi superiori Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 15 Modi di propagazione: caraVeris[che fondamentali •  Ogni modo (ad eccezione del fondamentale) esiste al di sopra di una frequenza limite inferiore (frequenza di taglio) •  Il numero di modi e’ limitato se il numero di stra[ e l’intervallo di frequenze sono fini[ •  Il modo fondamentale (primo modo, modo fondamentale di Rayleigh) e’ l’unico al di soVo della frequenza di taglio del secondo modo Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 16 Modi di propagazione e curva di dispersione (1) •  La curva di dispersione delle onde superficiali si puo’ oVenere da un esperimento sismico Common Shot Gather Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 17 Modi di propagazione e curva di dispersione (2) •  La curva di dispersione delle onde superficiali puo’ essere u[lizzata per ricavare le proprieta’ del soVosuolo, che ne influenzano l’andamento •  La sua interpretazione puo’ essere tuVavia complicata dalla sovrapposizione dei differen[ modi, che rende impossibile l’iden[ficazione della velocita’ di fase per ciascun modo e consente di ricavare solo una CURVA DI DISPERSIONE APPARENTE Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 18 Sovrapposizione modale e curva di dispersione apparente (1) Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 19 Sovrapposizione modale e curva di dispersione apparente (2) La distribuzione dell’energia sui differen[ modi di propagazione dipende da faVori lega[ alla struVura ed alle proprieta’ fisiche del terreno e dalle caraVeris[che della sorgente sismica Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 20 Analisi ed interpretazione delle onde superficiali •  L’obieQvo di calcolare la velocita’ delle onde S nel terreno si raggiunge aVraverso una procedura che ha 3 fasi principali: Acquisizione da[ Dataset sismico (CSG Gathers) Elaborazione da[ Inversione da[ Modello del terreno Curve di dispersione h1,β1 h2,β2 h3,β3 Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 21 Fase 1: acquisizione da[ ObieQvo: raccolta Common Source Gather Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 22 Fase 2: elaborazione da[ ObieQvo: estrazione Curve di dispersione Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 23 Fase 3: inversione ObieQvo: calcolo Vs(z) e mappatura Vs(x,z) Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 24 I risulta[ dell’inversione [Vs(z)] e la s[ma degli effeQ di sito La norma[va vigente (OPCM 3274, DM 14.09.2005, norme tecniche per le costruzioni; Eurocodice 8) prevede i seguen[ passi: a.  Classificazione sismica terreno (e.g. Vs30, coesione non drenata) b.  S[ma effeQ di sito c.  Valutazione effeQ del terremoto (di riferimento>>ogni Comune ha i da[ rela[vi) su comportamento meccanico terreno d.  Eventuale valutazione effeVo topografico Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 25 Classificazione dei suoli in base a Vs µ=V2s*ρ
Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 26 Classificazione dei suoli secondo la norma[va
A -­‐ Formazioni litoidi o suoli omogenei molto rigidi caraVerizza[ da valori di Vs30 superiori a 800 m/s, comprenden[ eventuali stra[ di alterazione superficiale di spessore massimo pari a 5 m. B -­‐ Deposi[ di sabbie o ghiaie molto addensate o argille molto consisten[, con spessori di diverse decine di metri, caraVerizza[ da un graduale miglioramento delle proprietà meccaniche con la profondità e da valori di Vs30 compresi tra 360 m/s e 800 m/s (ovvero resistenza penetrometrica media NSPT > 50, o coesione non drenata media cu>250 kPa). C -­‐ Deposi[ di sabbie e ghiaie mediamente addensate, o di argille di media consistenza, con spessori variabili da diverse decine fino a cen[naia di metri, caraVerizza[ da valori di Vs30 compresi tra 180 e 360 m/s (15 < NSPT < 50, 70 <250 kPa). Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 27 Classificazione dei suoli secondo la norma[va (2)
D -­‐ Deposi[ di terreni granulari da sciol[ a poco addensa[ oppure coesivi da poco a mediamente consisten[ , caraVerizza[ da valori di Vs30 < 180 m/s (NSPT < 15, cu<70 kPa). E -­‐ Profili di terreno cos[tui[ da stra[ superficiali alluvionali, con valori di VS simili a quelli dei [pi C o D e spessore compreso tra 5 e 20 m, giacen[ su di un substrato di materiale più rigido con VS > 800 m/s. S1 -­‐ Terreni che includono uno strato di almeno 10 m di argille/limi di bassa consistenza, con elevato indice di plas[cità (PI > 40) e contenuto di acqua, con 10 < cu < 20 kPa e caraVerizza[ da valori di Vs30 < 100 m/s. S2 -­‐ Terreni soggeQ a liquefazione, argille sensi[ve, o qualsiasi altra categoria di terreno non classificabile nei [pi preceden[. Onde Superficiali -­‐ Michele Pipan – Universita’ di Trieste – [email protected] 28