PROVE GEOFISICHE per LA CARATTERIZZAZIONE SISMICA DEL SOTTOSUOLO

Il problema della sicurezza delle costruzioni non può essere disgiunto dalla conoscenza del sottosuolo sul quale è costruito il manufatto infatti la conoscenza dell’interazione suolo-struttura è fondamentale ai fini della determinazione dell'indice di vulnerabilità delle costruzioni esistenti.

L’elevata vulnerabilità delle costruzioni rispetto alle azioni statiche e soprattutto rispetto alle azioni sismiche e il loro valore storico/architettonico evidenzia il problema della sicurezza delle costruzioni. I frequenti e drammatici eventi sismici ne sono una dimostrazione.

Nonostante ciò non si sono ancora raggiunti livelli di consapevolezza tali da approcciare il problema nella maniera più idonea . Infatti troppo spesso si interviene sul patrimonio edilizio esistente senza raggiungere una adeguata conoscenza della costruzione .

Le NTC a tal fine esigono di raggiungere un livello di conoscenza della costruzione che solo attraverso un adeguata campagna di indagine è possibile raggiungere. E’ necessario infatti stimare il rischio sismico dell’edificio determinandone le caratteristiche di pericolosità, vulnerabilità e di esposizione.

Mentre i parametri di pericolosità e di esposizione sono facilmente determinabili la definizione della vulnerabilità si giunge solo attraverso una corretta conoscenza della costruzione.

L'OPCM n. 3519/06 insieme all'approvazione dei criteri generali propone la mappa di pericolosità sismica di riferimento a scala nazionale (comma 1, art.1). Sono distinte 4 zone in base ai valori di accelerazione massima al sottosuolo rigido Le zone 1, 2 e 3 possono essere suddivise in sottozone.

Le tecniche che vengono applicate sono:

  • Sismica a rifrazione;
  • Rilievo MASW;
  • Misure HVSR;
  • Down-Hole;
  • Prova Penetrometrica dinamica.

L’ANDAMENTO STRUTTURALE DEL SOTTOSUOLO

Come tutti i metodi geofisici, anche la sismica a rifrazione si basa sul contrasto di un parametro fisico:  la velocità dei materiali che costituiscono gli strati del sottosuolo, o meglio della loro impedenza acustica.

Tramite operazioni di energizzazione (con esplosivo/mini-bang/martello/masse in caduta ......) e relativa registrazione dei segnali di risposta del sottosuolo saremo in grado di ricostruire la sezione profondità del profilo indagato.

Il rilievo viene progettato per poi essere materializzato in campagna, secondo profili di acquisizione.

  • per quanto possibile sempre perpendicolari agli assi delle strutture geologiche della zona da indagare
  • il/i profilo/i sono ubicati mediante iniziale rilievo topografico

Il progetto dell’indagine riguarda specialmente:

  • profondità di indagine richiesta (¼ della lunghezza del profilo);
  • la sorgente da impiegare per l’energizzazione,
  • la distanza tra i canali di acquisizione (geofoni);
  • il tipo dei geofoni da impiegare.

La pianificazione della campagna parte dalla progettazione del rilievo, dalle predisposizione dello stesso (energizzazione, strumentazione di acquisizione e memorizzazione e archiviazione dati.

In seguito al rilievo, in ufficio sarà impiegato un software specifico per la conversione dei dati, l'elaborazione delle dromocrone, l'interpretazione e il calcolo delle velocità. Al termine tutte le informazioni raccolte andranno convertite in un formato grafico.

L’ANALISI DELLA DISPERSIONE

La caratterizzazione del terreno dal punto di vista dinamico richiede la conoscenza del profilo di velocità delle onde di taglio Vs degli strati di terreno presenti nel sito. In particolare si deve avere la conoscenza sino ad almeno 30 metri dal piano campagna (Vs30). La conoscenza del profilo delle onde di taglio Vs degli strati che compongono i primi 30 metri di profondità risulta necessaria per:

  • valutare l’azione sismica di progetto al livello del piano fondale tipo di opera;
  • valutare il potenziale di liquefazione del terreno;
  • valutare l’accelerazione sismica per il calcolo della stabilità dei pendii e/o delle opere di sostegno nei confronti dell’azione sismica;
  • valutare, in condizioni sismiche, la capacità portante ed i cedimenti di rilevati stradali, opere di sostegno, fondazioni degli edifici.

La stima della velocità delle onde di taglio Vs dei vari sismostrati può essere eseguita, a basso costo, con la tecnica MULTICHANNEL ANALYSIS OF SURFACE WAVES (MASW) che fornisce la stratigrafia e le velocità delle onde di taglio. Una volta acquisiti gli spessori degli strati e le relative velocità delle onde S, si calcola la velocità media relativa ai primi trenta metri di sottosuolo, con la formulazione precedente e si classifica il sito secondo i riferimenti normativi.

La tecnica quindi permette di studiare ed analizzare le caratteristiche delle onde superficiali per arrivare a determinare la distribuzione della velocità delle onde S con la profondità.

LA DETERMINAZIONE DELLE FREQUENZE DI AMPLIFICAZIONE DEL SITO

Un’ altra tecnica di indagine - riconosciuta dalle NTC 2008 - atta ad integrare la conoscenza ed il comportamento del sottosuolo e’ la misura a stazione singola HVSR (HORIZONTAL TO VERTICAL SPECTRAL RATIO).

Il problema della sicurezza delle costruzioni non può essere disgiunto dalla conoscenza del sottosuolo sul quale è costruito il manufatto infatti la conoscenza dell’interazione suolo-struttura è fondamentale ai fini della determinazione dell’indice di vulnerabilità delle costruzioni esistenti.

L’indagine HVSR è una tecnica di indagine sismica passiva, non invasiva, di rapida esecuzione utilizzata per stimare le frequenze caratteristiche di risonanza di sito. Questa tipologia di tecnica (definite appunto metodi sismici passivi) non ha bisogno di alcuna energizzazione esterna poiché utilizza come sorgente il traffico veicolare, la produzione industriale, il vento, la pioggia e tutto ciò che è in grado di produrre una minima vibrazione sulla superficie del suolo.

Quanto detto comporta rispetto alle più affermate metodologie sismiche di tipo attivo (MASW , Rifrazione, Down-Hole) svariati vantaggi: le acquisizioni di sismica passiva difficilmente vengono “sporcate” da interferenze esterne poiché sfruttano come sorgente quella porzione del segnale sismico che altre tecniche considerano un disturbo; non necessitando di alcuna energizazzione esterna al sistema tali indagini possono raggiungere con facilità profondità dell’ordine del centinaio di metri; non richiede più di un operatore ed è molto più veloce rispetto alle comuni tecniche sismiche. L’utilizzo di algoritmi di calcolo finalizzati ad una modellizzazione sintetica dello spettro H/V, permette di correlare ogni picco spettrale con le discontinuità presenti nel sottosuolo (per esempio i cambi litologici). I dati che si possono ricavare sono spessori, profondità e velocità di propagazione delle onde di taglio.

La restituzione dei dati permette di elaborare una ricostruzione stratigrafica del sottosuolo, di verificare la mono-dimensionalità degli strati e di calcolare il parametro Vs,30 per valorizzare la categoria di sottosuolo.

La tecnica HVSR consiste quindi nel misurare direttamente, sfruttando il rumore di fondo ambientale (microtremori), le frequenze proprie dei terreni costituenti il sottosuolo, e le amplificazioni possibili allo scopo di valutare gli effetti di sito e la vulnerabilità sismica di un' Opera.

LA VALUTAZIONE DELLE CARATTERISTICHE MECCANICHE DEL SOTTOSUOLO

La tecnica down-hole, insieme a cross-hole e up-hole, fa parte delle metodologie sismiche in foro che permettono – tramite la misura delle velocità vp e vs – la valutazione delle proprietà meccaniche dei materiali che costituiscono il sottosuolo. Il rilievo DH, e’ compreso nelle NTC-2008 ed e’ uno dei metodi che si impiegano per la misura della VS30.

Per eseguire il rilievo è necessario disporre di un foro di sondaggio geognostico o comunque di una perforazione che raggiunge almeno i 30 m di profondità. Le letture generalmente vengono eseguite ad ogni M di profondità; il campionamento dei segnali deve essere alto.

 

SONDARE STRUTTURA E RESISTENZA DEL TERRENO

In geotecnica lo strumento denominato penetrometro altro non è che un apparecchio che serve per sondare la struttura del terreno e la sua resistenza. Molto utilizzato anche attualmente, la sua nascita risale al 1917. Utile nel campo dell'edilizia il penetrometro viene utilizzando inserendolo nel terreno tramite un'apposita sonda metallica in grado di rilevare i dati relativi alla resistenza del terreno alla penetrazione durante le fasi di approfondimento nel terreno della stessa. I dati rilevati consentono di dedurre una serie di informazioni sulle caratteristiche dei diversi strati di terreno attraversati.

FORMAZIONE

Le prove per la caratterizzazione del sottosuolo non prevedono una Certificazione propria. Tali metodi sono inseriti all'interno di un pacchetto formativo "Indagini per la Caratterizzazione del Sottosuolo" insieme alla Tecnica Georadar (GR) che prevede invece un patentino di II livello. I metodi sono anche impartiti singolarmente o senza associarsi al Georadar.

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PROVE SUL CAMPO

Le tecniche sono impiegate per:

  • valutare l’andamento strutturale del sottosuolo (vedi sismica a rifrazione)
  • la determinazione delle frequenze di amplificazione del sito (HVSR)
  • l’analisi della dispersione (MASW)
  • la valutazione delle caratteristiche meccaniche del sottosuolo (moduli elastici dinamici - DH)
  • valutare la VS30 per la catalogazione del sito;
  • sondare struttura e resistenza del terreno (penetrometrica).

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