Caratterizzazione sismica dei suoli con il metodo MASW

che la caratterizzazione geotecnica di un suolo è il risultato delle informazioni 2003).terrajp.co.jp/OptimumFieldParametersMASWPark.pdf.

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2 INDICE 1. CAPITOLO 1 : CLASSIFICAZIONE SISMICA LOCALE E CATEGORIA DEI SUOLI7 1.1 Introduzione.7 1.2 Classificazione secondo la nuova normativa sismica OPCM 3274 e il DM 19/09/20057 1.3 Classificazione secondo l™Eurocodice 8.10 1.4 Classificazione sismica dei suoli con il metodo MASW..11 1.5 Considerazioni sui metodi alternativi al MASW..12 2. CAPITOLO 2 : FONDAMENTI TEORICI DEL METODO MASW..14 2.1 Introduzione..14 2.2 Mezzo omogeneo infinito..14 2.3 Forma del fronte d™onda.15 2.4 Onde stazionarie e onde progressive15 2.5 Onde all™interfaccia fra due mezzi e onde di Stoneley16 2.6 Onde di Rayleigh in un semispazio infinito omogeneo.16 2.7 Onde in un semispazio infinito stratificato18 2.7.1 Onde di Love.20 2.7.2 Onde di testa o Head waves..21 2.8 Onde di Rayleigh e curve modali in un semispazio stratificato.21 2.9 Curva di dispersione apparente delle onde di Rayleigh in un semispazio stratificato..26 2.9.1 Curva di dispersione apparente sperimentale27 2.9.2 Curva di dispersione apparente numerica: metodo Roma..32 2.9.3 Curva di dispersione effettiva numerica: metodo Lai-Rix.34 2.9.4 Errore relativo tra curve di dispersione sperimentale e numerica..36 2.9.5 Strati con forte contrasto di rigidezza..36 2.9.6 Grado di incertezza del profilo di Vs finale..37 3. CAPITOLO 3 : INDAGINE MASW IN SITO.39 3.1 Introduzione..39 3.2 Strumentazione minima indispensabile per eseguire le prove MASW..39 3.3 Configurazione spaziale della prova MASW in sito39 3.4 Configurazione temporale della prova MASW in sito40 3.5 Formato dei files di input..47 3.6 Selezione della curva di dispersione sperimentale47 4. CAPITOLO 4 : ESEMPI NUMERICI E APPLICAZIONI64 4.1 Introduzione..64 4.2 Suggerimenti operativi e osservazioni64 4.3 Esempio 1: strato di terreno rigido in superficie67 4.4 Esempio 2: strato di terreno rigido intermedio69 4.5 Esempio 3: semispazio rigido..71 4.6 Esempio 5: strato di terreno soffice intermedio.72 4.7 Esempio 6: semispazio soffice73 4.8 Esempio 7: pavimentazione rigida in superficie82

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3 4.9 Esempio 8: semispazio stratificato omogeneo83 4.10 Esempio 9: influenza della falda superficiale..84 4.11 Esempio 10: influenza del numero di modi..85 4.12 Esempio 11: influenza della configurazione dei ricevitori87 4.13 Esempio 12: comportamento ad alte frequenze.90 4.14 Esempio 13: stabilimento FIAT a Torino..90 4.15 Esempio 14: Parco eolico a Gello (Pontedera, Pisa, Toscana).102 4.16 Esempio 15: Parcheggio interrato a Mollieres (Cesana, Torino, Piemonte).114 4.17 Esempio 16: Stabilimento industriale a Settimo (Alta velocità Torino-Milano)123 4.18 Esempio 17: Ex palazzo Telecom a Torino129 4.19 Esempio 18: Torre pendente di Pisa..135 4.20 Esempio 19: Villadossola (Verbania)141 4.21 Esempio 22: Volvera (Torino).163 5. CAPITOLO 5 : ISTRUZIONI PER L™USO DEL SOFTWARE MASW.170 5.1 SCHERMATA PRINCIPALE.170 5.2 SCHERMATA ANALISI DEI DATI SPERIMENTALI..173 5.3 SCHERMATA CALCOLO DELLA CURVA DI DISPERSIONE..180 5.4 SCHERMATA SELEZIONE DELLA CURVA DI DISPERSIONE SPERIMENTALE..184 5.5 SCHERMATA CALCOLO DEL PROFILO188 5.6 SCHERMATA RISULTATI FINALI..198 6. CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE.202 7. BIBLIOGRAFIA204

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4 PRESENTAZIONE L™ing. Roma si è laureato in Ingegneria Strutturale al Politecnico di Torino, dove ha anche conseguito il titolo di dottore di ricerca in Ingegneria Geotecnica sotto la guida del Prof. Lancellotta, dopo un periodo di ricerca di un anno presso il Georgia Institute of Technology di Atlanta (Georgia, USA) con il Prof. Rix. Il metodo di analisi MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves) da lui sviluppato nel corso dei suoi studi di dottorato ed illustrato nel presente testo sono frutto non solamente delle sue attività di studio, ma anche della caparbietà e passione con cui ha continuato, dopo il conseguimento del titolo di dottore di ricerca, ad occuparsi di questo tema, come testimoniato dal lungo elenco di ficase historiesfl riportato nel capitolo 4 del testo, che sono chiamato a presentare. Io che scrivo questa nota di presentazione sono docente di Ingegneria Geotecnica presso l™Università di Pisa, fermamente convinto dell™estrema importanza delle indagini geofisiche per la caratterizzazione geotecnica dei siti, ma non sono un esperto di indagini geofisiche. Tuttavia ho alcune ferme convinzioni, in aggiunta a quella già dichiarata a proposito dell™importanza delle indagini geofisiche: · Sono contrario all™uso acefalo di softwares commerciali, di cui l™utilizzatore non conosce le ipotesi di base, i limiti e le potenzialità; · Sono invece favorevole alle attività divulgative che consentono la comprensione o una migliore comprensione degli strumenti che vengono utilizzati; · Sono infine convinto che le indagini geofisiche sismiche di superficie non sono solamente il metodo più economico per la classificazione dei siti ai sensi della normativa italiana ed europea, ma, nel caso di tecniche tipo MASW, rappresentano anche il miglior compromesso costo-accuratezza nella caratterizzazione dinamica dei depositi di terreno. Il lavoro dell™ing. Roma, a prescindere dalla rilevanza degli aspetti innovativi, che non sta a me giudicare, offre, in maniera volutamente semplice, le basi teoriche per la comprensione delle potenzialità del metodo e rappresenta un importante esempio di divulgazione di una metodologia di analisi avanzata e innovativa. Pisa, Novembre 2006 Prof. Lo Presti Diego Università di Pisa

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5 PREMESSA L™interesse della comunità scientifica e dei professionisti nei confronti del metodo di indagine MASW (Multichannel Spectral Analysis of Surface Waves) è cresciuto notevolmente negli ultimi 5 anni. Le ragioni di questo interesse sono: 1) l™accresciuta consapevolezza dell™importanza di identificare le caratteristiche dinamiche dei suoli e quindi anche il profilo di velocità delle onde di taglio verticali Vs con metodologie studiate ad hoc per lo scopo, al fine di progettare e/o prevedere il comportamento delle opere soggette ad azioni dinamiche (sisma, vento, vibrazioni, esplosioni, etc.); 2) l™esigenza di avere a disposizione una tecnica relativamente semplice da usare, che sia sufficientemente accurata e risolva alcune delle problematiche insite nelle tecniche di indagine alternative. Il presente opuscolo accompagna il software MASW e si pone come obiettivo la diffusione ai professionisti dei concetti teorici basilari del metodo MASW, espressi in maniera volutamente semplificata, insieme ad alcuni suggerimenti di carattere operativo su come eseguire la prova in sito, su come determinare la risposta sperimentale del sito e su come individuare il profilo delle onde di taglio verticali Vs, sulla base del quale valutare la velocità equivalente delle onde di taglio verticali nei primi 30m di profondità Vs30 e quindi la categoria di suolo sismico, secondo quanto indicato dalla nuova normativa sismica OPCM e dall™Eurocodice 8. Come sempre accade la ricerca esplora nuove teorie ed è in continua evoluzione ed è seguita con un certo ritardo dallo sviluppo tecnico-applicativo delle stesse scoperte teoriche. Anche in questo caso si propone lo sviluppo tecnico-applicativo di una delle possibili alternative del metodo MASW, che è ad oggi oggetto di ulteriori sviluppi teorici nei centri di ricerca di tutto il mondo. L™augurio dell™autore è di essere riuscito a rendere quanto più possibile semplice l™impiego di questa nuova tecnica di indagine geotecnica-sismica. Torino, Novembre 2006 Vitantonio Roma

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8 Si osservi che: · anche se non specificato le onde di taglio da considerare sono quelle verticali, assumendo che il moto sismico si propaghi in un piano verticale dal basso verso l™alto all™interno di un semispazio stratificato · la Vs30 non è una semplice media aritmetica delle Vsi dei singoli strati, ma è una velocità fiequivalentefl nei primi 30m di profondità · la normativa, in assenza del valore della Vs30, prevede la possibilità di stabilire la categoria di suolo sulla base dei valori del numero di colpi Nspt (per i soli terreni prevalentemente granulari) o della resistenza al taglio non drenata Cu (per i soli terreni prevalentemente coesivi). Questa alternativa lasciata dalla norma non risulta economicamente vantaggiosa rispetto alle tecniche sismiche di superficie ed è sconsigliata dall™autore, perché introduce numerose incertezze. Infatti la prova SPT e la resistenza al taglio non drenata Cu sono solo indirettamente collegate alle caratteristiche di propagazione delle onde sismiche nei suoli ed inoltre il ricorso ai valori di Nspt e di Cu potrebbe risultare non agevole in diverse situazioni: es. in presenza di alternanza di strati granulari e coesivi entro i primi 30m, valori di SPT a rifiuto localizzati solo a certe profondità per presenza di blocchi , valore di Cu dipendente dal livello di deformazione e quindi della tecnica di indagine seguita per la sua determinazione, etc. · la classificazione sismica del tipo di suolo non può sempre essere eseguita conoscendo il solo valore della velocità Vs30, infatti per classificare suoli definiti S1 e S2 dalla normativa sono necessarie indagini ed analisi specifiche che riguardano in particolare la conoscenza dei parametri di resistenza. Questa osservazione conferma che la caratterizzazione geotecnica di un suolo è il risultato delle informazioni raccolte a seguito di una campagna di diverse indagini, da intendersi complementari piuttosto che esclusive le une rispetto alle altre.

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9 Suolo Descrizione geotecnica Vs30 (m/s) A Formazioni litoidi o suoli omogenei molto rigidi caratterizzati da valori di Vs30>800m/s, comprendenti eventuali strati di alterazione superficiale di spessore massimo pari a 5m >800 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 360m/s e 800m/s 360÷800 (Nspt > 50) (Cu >250 kPa) C Depositi di sabbie o ghiaie mediamente addensate o argille di media consistenza, con spessori variabili da diverse decine fino a centinaia di metri, caratterizzati da valori di Vs30 compresi tra 180m/s e 360m/s 180÷360 (15 < Nspt < 50) (70 < Cu < 250 kPa) D Depositi di granulari da sciolti a poco addensati o coesivi da poco a mediamente consistenti, caratterizzati da valori di Vs30 < 180m/s < 180 (Nspt < 15) (Cu < 70 kPa) E Profili di terreno costituiti da strati superficiali alluvionali, con valori di Vs simili a quelli dei tipi C o D e spessore compreso tra 5m e 20m, giacenti su di un substrato di materiale più rigido con Vs > 800m/s S1 Depositi costituiti da, o che includono, uno strato spesso almeno 10m di argille/limi di bassa consistenza, con elevato indice di plasticità (IP>40) e contenuto d™acqua, caratterizzati da valori di Vs30 < 100m/s< 100 (10 < Cu < 20 kPa) S2 Depositi di terreni soggetti a liquefazione, di argille sensitive, o qualsiasi altra categoria di terreno non classificabile nei tipi precedenti Tabella 2.1: Classificazione del tipo di suolo secondo la nuova normativa sismica O.P.C.M. n. 3274/2003 e D.M. 15/09/2005 Testo Unico sulle costruzioni. PAGE - 10 ============ 10 1.3 Classificazione secondo l™Eurocodice 8 La classificazione sismica dei suoli contenuta nella nuova normativa sismica italiana e nel D.M. 15/09/2005 Testo Unico sulle costruzioni è stata redatta seguendo gli stessi criteri adottati nell™Eurocodice 8. Come conseguenza esiste una equivalenza ben definita tra le categorie di suolo previste dalla nuova normativa sismica italiana e l™Eurocodice 8. In tabella 2.2 si riportano le categorie di suolo e la loro descrizione e individuazione secondo quanto indicato dall™Eurocodice 8. Round type Description of stratigraphic profile Vs30 (m/s) A Rock or other rock-like geological formation, including at most 5 m of weaker material at the surface. >800 B Deposits of very dense sand, gravel, or very stiff clay, at least several tens of metres in thickness, characterised by a gradual increase of mechanical properties with depth. 360÷800 (Nspt > 50) (Cu >250 kPa) C Deep deposits of dense or mediumdense sand, gravel or stiff clay with thickness from several tens to many hundreds of metres. 180÷360 (15 < Nspt < 50) (70 < Cu < 250 kPa) D Deposits of loose-to-medium cohesionless soil (with or without some soft cohesive layers), or of predominantly soft-to-firm coesive soil. < 180 (Nspt < 15) (Cu < 70 kPa) E A soil profile consisting of a surface alluvium layer with vs values of type C or D and thickness varying between about 5 m and 20 m, underlain by stiffer material with vs > 800 m/s. S1 Deposits consisting, or containing a layer at least 10 m thick, of soft clays/silts with a high plasticity index (PI > 40) and high water content < 100 (10 < Cu < 20 kPa) S2 Deposits of liquefiable soils, of sensitive clays, or any other soil profile not included in types A Œ E or S1 PAGE - 11 ============ 11 Tabella 2.2: Classificazione del tipo di suolo secondo l™Eurocodice 8. 1.4 Classificazione sismica dei suoli con il metodo MASW Il metodo MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves) è una tecnica di indagine non invasiva (non è necessario eseguire perforazioni o scavi e ciò limita i costi ), che individua il profilo di velocità delle onde di taglio verticali Vs, basandosi sulla misura delle onde superficiali fatta in corrispondenza di diversi sensori (accelerometri o geofoni) posti sulla superficie del suolo. Il contributo predominante alle onde superficiali è dato dalle onde di Rayleigh, che viaggiano con una velocità correlata alla rigidezza della porzione di terreno interessata dalla propagazione delle onde. In un mezzo stratificato le onde di Rayleigh sono dispersive, cioè onde con diverse lunghezze d™onda si propagano con diverse velocità di fase e velocità di gruppo (Achenbach, J.D., 1999, Aki, K. and Richards, P.G., 1980 ) o detto in maniera equivalente la velocità di fase (o di gruppo) apparente delle onde di Rayleigh dipende dalla frequenza di propagazione. La natura dispersiva delle onde superficiali è correlabile al fatto che onde ad alta frequenza con lunghezza d™onda corta si propagano negli strati più superficiali e quindi danno informazioni sulla parte più superficiale del suolo, invece onde a bassa frequenza si propagano negli strati più profondi e quindi interessano gli strati più profondi del suolo (si veda figura 2.13). Il metodo di indagine MASW si distingue in metodo attivo e metodo passivo (Zywicki, D.J. 1999) o in una combinazione di entrambi. Nel metodo attivo le onde superficiali generate in un punto sulla superficie del suolo sono misurate da uno stendimento lineare di sensori. Nel metodo passivo lo stendimento dei sensori può essere sia lineare, sia circolare e si misura il rumore ambientale di fondo esistente. Il metodo attivo generalmente consente di ottenere una velocità di fase (o curva di dispersione) sperimentale apparente nel range di frequenze compreso tra 5Hz e 70Hz, quindi dà informazioni sulla parte più superficiale del suolo, sui primi 30m-50m, in funzione della rigidezza del suolo. Il metodo passivo in genere consente di tracciare una velocità di fase apparente sperimentale compresa tra 0 Hz e 10Hz, quindi dà informazioni sugli strati più profondi del suolo, generalmente al di sotto dei 50m, in funzione della rigidezza del suolo. Nel seguito faremo riferimento al metodo MASW attivo che consente la classificazione sismica dei suoli, perché fornisce il profilo di velocità entro i primi 30m di profondità. Il metodo passivo è più usato quando si ha interesse ad avere informazioni , comunque meno precise, sugli strati più profondi. Il metodo MASW consiste in tre fasi (Roma, 2002): (1) la prima fase prevede il calcolo della velocità di fase (o curva di dispersione) apparente sperimentale, (2) la seconda fase consiste nel calcolare la velocità di fase apparente numerica, (3) la terza ed ultima fase consiste nell™individuazione del profilo di velocità delle onde di taglio verticali Vs, modificando opportunamente lo spessore h, le velocità delle onde di taglio Vs e di compressione Vp (o in maniera alternativa alle velocità Vp è possibile assegnare il coefficiente di Poisson u ), la densità di massa r degli strati che costituiscono il modello del suolo, fino a raggiungere una sovrapposizione ottimale tra la velocità di fase (o curva di dispersione) sperimentale e la velocità di fase (o curva di dispersione) numerica corrispondente al modello di suolo 20 KB – 234 Pages