Caratterizzazione e compatibilità sismica di un viadotto

Al fine di misurare la frequenza fondamentale di vibrazione (f_r) e la velocità delle onde di taglio (Vs₃₀), il terreno di fondazione della struttura è stato oggetto di indagine sismica passiva (acquisizione di microtermore) ed attiva (MASW).

La conoscenza di tali parametri ha consentito di simulare, mediante un algoritmo stocastico, il sisma del 28 Dicembre 1908 determinandone l’accelerogramma sintetico al sito ed i relativi valori spettrali. I risultati sono stati confrontati con i valori di accelerazione ed amplificazione (a_g, F₀, S_s ed S_t) proposti dalle NTC 08 (D.M.14 Gennaio 2008) in funzione della sola categoria, a prescindere delle reali condizioni stratigrafiche e topografiche che determinano una data amplificazione sismica stimabile con la metodologia adottata.

La sismica passiva a stazione singola consiste nello studio del noise sismico quale sorgente di informazione del sottosuolo. Il microtremore è costituito da piccole oscillazioni (10^-4-10^-2 mm in termini di spostamento) prodotte non solo dalla dinamica terrestre, ma anche dai fenomeni naturali (vento, onde marine, ecc.) e dall’attività antropica.

Le metodologie di indagine del sottosuolo attraverso lo studio del microtremore sono molteplici e tra queste si è affermata quella dei rapporti spettrali o HVSR (Horizontal to Vertical Spectral Ratio). Le analisi dei rapporti spettrali tra le componenti verticali ed orizzontali del moto del suolo forniscono la frequenza naturale sito.

Le basi teoriche di questa metodologia sono relativamente semplici in un sistema stratificato in cui i parametri variano solo con la profondità.

Si consideri, pertanto, un sistema costituito da due strati distinti con valori diversi di densità (ρ₁ e ρ₂) e di velocità (V₁ e V₂) delle onde sismiche. Un’onda che si propaga nel primo mezzo viene (parzialmente) riflessa dall’orizzonte che separa i due strati. L’onda riflessa interferisce con quelle incidenti, sommandosi e raggiungendo l’ampiezza massima (condizione di risonanza) quando la lunghezza d’onda λ dell’onda incidente è 4×(2n-1) volte lo spessore h del primo strato. Pertanto, la frequenza fondamentale di risonanza f_r risulta pari al rapporto V/(4h).

I dati di rumore ambientale sono stati acquisiti alla frequenza di campionamento di 256 Hz, amplificati e digitalizzati a 24 bit mediante un tromografo digitale triassiale ed elaborate con un software dedicato.

Il processing dei dati ha restituito il valore medio dei rapporti spettrali tra le componenti orizzontali e verticali del moto del suolo in funzione della frequenza consentendo, quindi, di determinare l’attuale frequenza fondamentale di vibrazione del terreno.

Il picco principale della curva H/V indica il valore di 4.0±0.08 Hz quale frequenza naturale di sito.

Al fine di determinare il valore di Vs₃₀, tra due pile del viadotto è stato eseguito un profilo MASW lungo 36 m e con passo geofonico di 3 m.

Il metodo MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves) consiste nell’acquisizione delle sollecitazioni sismiche prodotte da una sorgente impulsiva, ove il contributo predominante a tali sollecitazioni è rappresentato dalle onde di Rayleigh. Le onde di Rayleigh si generano alla superficie libera del mezzo di propagazione attraverso il quale si trasmettono con velocità correlata alla sua rigidezza. Se il mezzo di propagazione presenta disomogeneità a seguito di stratificazioni, le onde di Rayleigh sono soggette a dispersione, essendo la loro velocità funzione della lunghezza d’onda. Pertanto, mediante analisi spettrale, è possibile determinare la curva velocità di fase vs frequenza in cui si può distinguere il modo fondamentale delle onde di superficie da cui ricavare la curva di dispersione ed il profilo delle Vs per successiva inversione 1D.

L’analisi sismica nel dominio delle frequenze ha consentito di determinare la curva di dispersione sperimentale delle onde di Rayleigh nel piano V_fase(m/s)-frequenza. Successivamente è stata prodotta la curva di dispersione teorica (in blu) mediante la costruzione del modello di velocità Vs del sito. Il valore medio di Vs₃₀ determinato è pari a 213 m/s.Le tracce sono state acquisite mediante un tromografo digitale triassiale, con trasduttore di velocità verticale con frequenza di centro-banda pari a 4.5 Hz.

Per la stima dei valori di accelerazione (PGA e SA) si è fatto uso di un algoritmo di fama internazionale. Tale algoritmo utilizza un approccio di tipo stocastico per simulare le forme d’onda attese in superficie da un evento sismico assegnato, assumendo noti i parametri della sorgente. Inoltre, per ottenere forme d’onda sintetiche confrontabili con quelle realmente osservate in superficie, è necessario tenere conto degli eventuali effetti di amplificazione dovuti alla geologia locale e precedentemente stimati con la tecnica HVSR.

È stato simulato il sisma del 28 Dicembre 1908 che ha devastato l’area dello Stretto di Messina (magnitudo 7.0), modellando la faglia proposta dal database delle sorgenti sismogenetiche italiane (DISS version3, http://diss.rm.ingv.itdiss/).

L’algoritmo ha restituito l’accelerogramma sintetico ed il relativo andamento spettrale. I valori massimi risultano a 0.60 cm/sec² per la PGA ed a 1862 cm/sec² a 4.58 Hz (0.22 s) per la SA.

Per la stima dei valori di accelerazione (PGA e SA) si è fatto uso di un algoritmo di fama internazionale. Tale algoritmo utilizza un approccio di tipo stocastico per simulare le forme d’onda attese in superficie da un evento sismico assegnato, assumendo noti i parametri della sorgente. Inoltre, per ottenere forme d’onda sintetiche confrontabili con quelle realmente osservate in superficie, è necessario tenere conto degli eventuali effetti di amplificazione dovuti alla geologia locale e precedentemente stimati con la tecnica HVSR.

È stato simulato il sisma del 28 Dicembre 1908 che ha devastato l’area dello Stretto di Messina (magnitudo 7.0), modellando la faglia proposta dal database delle sorgenti sismogenetiche italiane (DISS version3, http://diss.rm.ingv.itdiss/).

L’algoritmo ha restituito l’accelerogramma sintetico ed il relativo andamento spettrale. I valori massimi risultano a 0.60 cm/sec² per la PGA ed a 1862 cm/sec² a 4.58 Hz (0.22 s) per la SA.

I parametri forniti dalla normativa derivano da un’analisi probabilistica della pericolosità sismica, la quale tende a mediare nel tempo il potenziale sismogenetico di una data area. In realtà un evento sismico può rilasciare la sua energia istantaneamente determinando effetti catastrofici quali quelli dell’ultimo decennio.

Stimare i possibili valori di scuotimento prodotti da un singolo evento sismico assunto quale caratteristico di un’area (valutando sperimentalmente gli effetti di amplificazione sismica locale, specialmente se in situazioni stratigrafiche e topografiche complesse come imposto dalla normativa antisismica, anche se non consente una previsione temporale del sisma) permette di valutare meglio gli attuali livelli di rischio sismico e pianificare in maniera opportuna gli interventi necessari alla loro mitigazione.