DOWN-HOLE / CROSS-HOLE / MASW / REMI / ESAC / HVSR
SISMICA IN FORO: DOWN-HOLE – CROSS-HOLE
Il metodo sismico in foro di tipo downhole (DH) permette di misurare direttamente le velocità delle onde sismiche di compressione (onde P) e di quelle di taglio (onde S) ottenute sul profilo di profondità lungo il foro. L’indagine sismica in foro di tipo downhole viene effettuata mediante l’utilizzo di una sorgente energizzante in superficie ed una sonda di ricezione in configurazione triassiale calata in foro.
La sonda di ricezione triassiale è costituita da tre geofoni (uno verticale e due orizzontali posti ortogonalmente tra di loro). Uno specifico sistema di tipo elettromeccanico permette alla sonda di ancorarsi alle pareti del foro alle profondità stabilite. Nella tecnica downhole un sismografo registra il treno d’onda generato dalla sorgente ed arrivato al ricevitore calato in foro; ne risulta un sismogramma nel quale si possono individuare i tempi di arrivo delle onde dirette (onde P) e di taglio (onde S), a seconda di come viene direzionata l’energizzazione e del ricevitore utilizzato. Dal risultante tempo di arrivo delle onde sismiche tramite il percorso diretto tra sorgente e ricevitore si può risalire alle velocità sismiche P ed S per quanto riguarda il terreno indagato, sino alla profondità raggiunta dalla sonda triassiale.
La prova sismica Cross-Hole (CH), sia essa effettuata utilizzando le onde sismiche P e/o S, consiste nella misurazione dei tempi di arrivo di impulsi sismici generati in profondità all’interno di un foro di sondaggio verticale ad un ricevitore posto all’interno di un secondo foro di sondaggio verticale. Come sorgente sismica eviene utilizzato un generatore elettrodinamico, non distruttivo e ripetitivo, in grado di fornire energia orientabile per le componenti di compressione e di taglio. Tale sistema possiede al proprio interno un dispositivo che permette di trasmettere al sismografo l’impulso relativo al tempo-zero, per l’inizio della registrazione sismica. Come ricevitore sismico, per il CH tradizionale, viene utilizzata la stessa sonda triassiale del DH, mentre per la Tomografia CH viene utilizzata una catena di idrofoni calata in foro.
SISMICA A ONDE DI SUPERFICIE: MASW – REMI – ESAC
MASW è l’acronimo di Multi-channel Analysis of Surface Waves (Analisi Multi-canale di Onde di Superficie). Ciò indica che il fenomeno che si analizza è la propagazione delle onde di superficie. Più specificatamente si analizza la dispersione delle onde di superficie (cioè il fatto che frequenze diverse – ovvero lunghezze d’onda diverse – viaggiano a velocità diversa). In sostanza le varie componenti (frequenze) del segnale sismico che si propaga viaggiano ad una velocità che dipende dalle caratteristiche del mezzo.
La tecnica MASW è considerata un metodo attivo: le onde di superficie sono prodotte da una sorgente impulsiva disposta a piano campagna e vengono registrate da uno stendimento lineare composto da 24 geofoni verticali con frequenza naturale 4,5 Hz.
La tecnica REMI (acronimo di REfraction MIcrotremors – microtremori rifratti) invece è considerata un metodo passivo: lo stendimento presenta le stesse caratteristiche geometriche del metodo attivo ma i ricevitori non registrano le onde superficiali prodotte da una sorgente impulsiva, bensì il rumore di fondo (detto anche microtremori) prodotto da sorgenti naturali (vento) e antropiche (traffico, attività industriali).
Le due tecniche indagano bande spettrali differenti. Il metodo attivo consente di ottenere, in modo ottimale, una curva di dispersione nel range di frequenza compreso tra 10 e 40 Hz fornendo informazioni sulla parte più superficiale di sottosuolo (fino a circa 10-20 m di profondità in funzione della rigidezza del suolo). Il metodo passivo consente di determinare una curva di dispersione, in modo ottimale, nella banda di frequenza tra 4 e 20 Hz e fornisce informazioni sugli strati più profondi (generalmente fino a 30-40 m). La combinazione delle due tecniche consente di ottenere uno spettro completo nella banda di frequenza compresa tra 4 e 40 Hz circa e permette una dettagliata ricostruzione dell’andamento della velocità delle onde di taglio fino ad almeno 30 m di profondità.
La metodologia ESAC prevede una configurazione di sensori sismici distribuiti secondo geometrie variabili sull’area di indagine con allineamenti a croce, ad L o circolari. Le registrazioni di microtremore ambientale effettuate dai singoli sensori vengono combinate mediante la tecnica ESAC (Extended Spatial Autocorrelation Method ) che permette di evidenziare la coerenza di fase delle varie registrazioni.
Se si utilizzano solo sensori verticali, la componente del segnale identificata da questo sistema di acquisizione risulta essenzialmente costituita dalla combinazione dei diversi modi di vibrazione delle onde di Rayleigh.
In linea di principio, non esistono limitazioni alla profondità di esplorazione di questo metodo di analisi. In realtà, le condizioni sperimentali e/o le caratteristiche strumentali impongono inevitabili vincoli. Si può assumere che massima profondità di esplorazione anche in condizioni ottimali sia dell’ordine di grandezza della diametro dell’array (da 1D a 2D circa). Anche la frequenza propria dei sensori utilizzati limita la profondità di esplorazione, in generale, per stendimenti con diametro di 50 metri e velocità delle onde S dell’ordine di qualche centinaio di metri al secondo l’uso di geofoni con frequenza propria dell’ordine di 4,5 Hz, risulta adeguato.
Infine, la struttura di velocità del sottosuolo indagato pone importanti limitazioni, infatti, in presenza di forti variazioni di impedenza sismica in corrispondenza della transizione fra i sedimenti soffici superficiali e il basamento rigido, l’energia associata alle onde superficiali tende concentrarsi nella parte più superficiale del terreno rendendo la curva di dispersione sostanzialmente insensibile alle caratteristiche del basamento. La metodologia di indagine prevede che i sensori non registrino le onde superficiali prodotte da una sorgente impulsiva, bensì il rumore di microtremore prodotto da sorgenti naturali e antropiche.
HVSR (Metodo di Nakamura)
La caratterizzazione sismica dei terreni tramite la tecnica di indagine sismica passiva HVSR (Horizontal to Vertical Spectral Ratio) è finalizzata all’individuazione delle frequenze caratteristiche di risonanza di sito indispensabili negli studi di microzonazione sismica, per la progettazione di edifici antisismici e per il calcolo della Vs30 e la relativa categoria del suolo di fondazione come esplicitamente richiesto dalle NTC 2018.
La tecnica HVSR è totalmente non invasiva, molto rapida, si può applicare ovunque e necessita di poco spazio in quanto consiste nella registrazione del microtremore ambientale tramite un geofono triassiale con frequenza propria di 2 Hz (PASI Gemini-2) collegato ad un sismografo. I risultati che si possono ottenere da indagini sismiche HVSR sono:
- La frequenza caratteristica di risonanza del sito che rappresenta un parametro fondamentale per il corretto dimensionamento degli edifici antisismici, la frequenza fondamentale di risonanza di un edificio, qualora la misura venga effettuata all’interno dello stesso.
- La velocità media delle onde di taglio Vs calcolata tramite un apposito codice di calcolo.
È necessario, per l’affidabilità del risultato, conoscere la profondità di un riflettore noto dalla stratigrafia e riconoscibile nella curva H/V.
