INDAGINI E TECNICHE DI MICROZONAZIONE SISMICA APPLICATE AI CENTRI URBANI E AGLI EDIFICI

1. INDAGINI E TECNICHE DI MICROZONAZIONE SISMICA APPLICATE AI CENTRI URBANI E AGLI EDIFICI Indagini geofisiche di superficie: sismica a rifrazione Mario Marchisio

2. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • Le indagini sismiche a rifrazione utilizzano la propagazione delle onde elastiche di volume per lo studio della stratigrafia delle rocce superficiali basandosi sulla differenza delle loro velocità. • Si possono utilizzare sia le onde P (longitudinali o di pressione) sia le onde S (trasversali o di taglio. • Per la Microzonazione Sismica queste indagini hanno principalmente lo scopo di determinare la VEL VS30

3. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • Cenni sulle onde sismiche in corpi elastici • Propagazione delle onde elastiche in presenza di superfici di discontinuità: riflessione e rifrazione • Sismica a rifrazione: tecniche di misura ed interpretazione (con onde P ed SH)

4. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • I diversi tipi di onde elastiche nel sottosuolo: • Onde in un solido elastico indefinito omogeneo ed isotropo: • Onde P (onde di compressione o longitudinali) • Onde S (onde di taglio o onde trasversali) • Onde superficiali, che si verificano solo in presenza di superfici de discontinuità: • Onde di Love • Onde di Rayleigh

5. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • Deformazioni di una particella elementare e vibrazioni dei suoi punti nel caso di: • onde P (longitudinali o di volume) • onde S (di taglio o trasversali)

6. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • PRESENZA DI SUPERFICI DI DISCONTINUITA’ • Un raggio sismico incidente su di una superficie di discontinuità subisce fenomeni di riflessione nel primo mezzo elastico e di rifrazione nel secondi • Gli angoli dei raggi riflessi e rifratti seguono le Leggi di Snellius

7. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione Se l’onda incidente è un’onda P o SV, oltre alle onde riflesse omologhe si generano anche onde dell’altro tipo Suffisso P : raggi P Suffisso S : raggi S Suffisso 1 : raggi nel mezzo 1 Suffisso 2 : raggi nel mezzo 2 R : angolo di riflessione r : angolo di rifrazione

8. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • Lo studio delle ampiezze delle onde riflesse e rifratte nel caso generale è molto complesso. • Nel caso però di angolo di incidenza di 90° i rapporti di amplificazione dipendono solo dalle impedenze acustiche dei 2 mezzi (prodotto della velocità dell’onda x la densità del mezzo) • Si noti l’amplificazione dell’onda rifratta quando si passa da un mezzo più veloce ad un mezzo più lento

9. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • Le onde birifratte: propagazione della perturbazione lungo la superficie di discontinuilà e risalita dei fronti d’onda birifratti nel mezzo 1

10. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione

11. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • Esempio: caso di un terreno a 3 strati piani orizzontali con velocità crescente: • Modello fisico • Tempi di arrivo per le onde dirette e birifratte • Dromocrone corrispondenti

12. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • ESECUZIONE DELLE MISURE: • I GEOFONI • STESA DEI GEOFONI • SORGENTI • SISMOGRAFI • MODALITA’ DI REGISTRAZIONE • CONTROLLO DELLA QUALITA’ DELLE REGISTARZIONI E INDIVIDUAZIONE DEI PRIMI ARRIVI

13. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • I sensori utilizzati per le indagini a rifrazione sono i GEOFONI • I sensori dei geofoni sono caratterizzati dalla frequenza propria e possono essere inseriti in direzione verticale od orizzontale • Per le onde P vanno utilizzati geofoni verticali con frequenza propria compresa tra 4 e 14 Hz • Per le onde S vanno utilizzati geofoni orizzontali con frequenza propria compresa tra 4.5 e 15 Hz • Per le onde S sono stati sviluppati, presso il Politecnico di Torino, speciali geofoni orizzontali a doppia capsula chiamati SWIPHONE

14. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione

15. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • Il PROGRAMMA VEL della REGIONE TOSCANA prescrive l’utilizzo di stendimenti di 24 geofoni con distanze intergeofoniche “a” di 5 – 10 metri (cui corrispondono lunghezze totali di 115 -230 metri) • Se il profilo fisico deve essere più lungo, si sposta ½ base per volta.

16. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • SORGENTI • Per onde P: • Massa battente (almeno 150 kg) in caduta libera o equivalente • Minibang/cannoncino con cartucce cal.8 per uso industriale • Esplosivo (?) • Per onde SH: • Battute orizzontali con una mazza battente su di un oggetto pesante a forma di parallelepipedo ben appoggiato (non infisso) sul terreno, possibilmente con un sovraccarico Energizzazioni: • Per ogni base/stendimento sono previste almeno 7 energizzazioni (“scoppi” o “spari” o “tiri”), 2 esterni, ad una distanza di ½ base, due alle estremità, tra i geofoni 1 e 2 e tra il 23 e 24, due intermedi ed uno centrale. Nel caso di stendimenti de 240 metri, saranno effettuati 9 tiri, aggiungendo altr 2 tiri esterni. Diversi operatori preferiscono utilizzare la tecnica della TOMOGRAFIA SISMICA A RIFRAZIONE:in questo caso il numero di acquisizioni deve essere nettamente maggiore

17. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • Il programma VEL VS30 prevede anche la possibilità di effettuare anche energizzazioni con esplosivo. • Questo è assolutamente necessario se si utilizzano stendimenti di 460 metri (in tal caso però io consiglierei di usare sismografi a 48 canali, con distanza intergeofonica di 10 m). • Bisogna però tenere presente che la procedura per utilizzara anche piccole cariche di esplosivo in Italia è estremamente complicata e costosa. Perciò questa tecnica è da proporre solo in casi molto particolari ed è opportuno valutare la possibilità di usare tecniche alternative

18. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • SISMOGRAFI • Gli strumenti utilizzati per la sismica a rifrazione sono i SISMOGRAFI da campagana. • Per questo tipo di indagini i requisiti minimi sono: • Almeno 24 canali digitali • Dinamica di acquisizione numerica (ADC) di almeno 16 bit – ma sono consigliabili gli strumenti con ADC a “virgola mobile” che hanno una dinamica enormemente superiore • Possibilità di inversione di polarità per lo stacking dei dati per onde SH • Tempi di campionamento a durate di acquisizione adatte alle situazioni operative • Possibilità di filtraggi pre- e post-acquisizione • Diverse modalità di trigger • Registrazione su supporti digitali; possibilità di stampa dei sismogrammi con tutti i parametri di acquisizione, compresa la data e ora di acquisizione.

19. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • Simografo DMT SUMMIT: • Unità di Controllo: su calcolatore portatile, cui si collegano le unità di acquisizione a 2 o 24 canalicanali

20. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione

21. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione

22. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • MODALITA’ DI REGISTRAZIONE • Tutti i sismografi moderni hanno diverse modalità di trigger: apertura o chiusura di circuito, geofono o bobina al punto di battuta, ecc. • Tutti i sismografi moderni hanno efficienti routines di stacking dei dati, con controllo, automatico, passo indietro, ecc.. • Queste caratteristiche, insieme alla possibilità di registrazione pre-trigger e di pre-stack correlation, permettono di usare lo stacking dei dati con elevatissima efficienza: in questo modo è possibile ottenere buone registrazioni con sorgenti meno “potenti” o in condizioni di rumore elevato

23. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • CONTROLLO DELLA QUALITA’ DELLE REGISTARZIONI E INDIVIDUAZIONE DEI PRIMI ARRIVI • Le registrazioni devono risultare ben chiare e consentire una individuazione (“picking”) dei primi • Esistono programmi per questo lavoro, ma la loro accuratezza non è sufficientemente affidabile. Possono però essere utilizzati per trattamenti dei dati, visualizzazione in diverse scale, ecc., in modo da facilitare il picking manuale

24. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • INTERPRETAZIONE DELLE MISURE: • Per l’interpretazione delle misure sono disponibili diversi programmi (software) • Tra i più diffusi si citano: • Programmi per il trattamento con il metodo GRM • Programmi per il trattamento di ricostruzione tomografica, tipo RAYFRACT La scelta delle modalità di trattamento ed interpretazione dei dati può influenzare le modalita’ operative

25. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • Un esempio di indagine con GRM: • Registrazione di onde SH • Passo 5 metri • Sparo centrale

26. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • Un esempio di indagine con GRM: • Registrazione di onde SH • Passo 5 metri • Sparo laterale

27. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • Le dromocrone ottenute

28. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • Sezioni GRM ottenute

29. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • Un esempio di tomografia sismica a rifrazione: registrazione di onde P

30. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • Un esempio di tomografia sismica a rifrazione: registrazione di onde SH

31. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • Onde P

32. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione Tomografia Onde P

33. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione Onde SH

34. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • Tomografia onde SH

35. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione • Queste considerazione avevano lo scopo di chiarire la necessità di seguire le regole fissate dalla Regione Toscana per le indagini sismiche a rifrazione per il programma VEL VS30.

36. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione

37. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione

38. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione

39. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione

40. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione

41. Indagini geofisiche: sismica a rifrazione