la risposta sismica locale - 1^ parte
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Ing. Barazza. Laboratorio di Sismologia UniUD. 2012TRANSCRIPT
Direttore: Prof. Stefano Grimaz
Università degli Studi di Udine
Dipartimento di Chimica Fisica AmbienteLaboratorio di Sismologia
Ing. Fausto Barazza
La Risposta Sismica Locale
La Risposta Sismica LocaleCorsi di deontologia e pratica professionale per ingegneri
Udine 19 aprile 2012
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Cos’è il terremoto
È definito come una rapido e violento scuotimento del suolo dovuto a improvvise “rotture” che si manifestano a grandi profondità nelle rocce del sottosuolo. Il punto d’origine viene detto ipocentro. La sua proiezione sulla superficie epicentro.
I terremoti superficiali hanno l’ipocentro entro i 60 chilometri di profondità,i terremoti profondi hanno l’ipocentro fino e anche oltre i 300-400 chilometri di profondità.
I primi si manifestano con grande frequenza e interessano una limitata estensione superficiale, quelli profondi hanno la caratteristica di scuotere un’ area di superficie molto più vasta.
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Origini dei terremoti
Le rocce del sottosuolo sono sottoposte a tensioni di varia natura che producono lenti ma costanti processi di deformazione con accumulo di enormi quantità di energia.Una porzione di roccia inizia a deformarsi, ma quando le forze che tengono insieme la roccia sono superate da quelle che le deformano allora questa si spezza e si ha un brusco spostamento delle due parti con un brusco rilasciano l'energia accumulata. La linea di rottura delle rocce viene detta faglia.
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Propagazione dell’energia
L’energia liberata in seguito alla rottura delle rocce si propaga dall’ipocentro in tutte le direzioni sotto forma di onde, le onde sismiche appunto.
Esistono tipi diversi di onde sismicheQuando avviene un terremoto l'energia accumulata dalle rocce si libera in parte sotto forma di onde sismiche che si propagano all'interno della Terra. Le onde che si propagano all'interno della Terra sono dette «onde di volume» e si distinguono in onde P e onde S.
Quando le onde di volume incontrano una superficie di discontinuità, su tale superficie si formano delle onde dette pe l’appunto «onde di superficie» e si distinguono in onde di Reyleig e onde di Love.
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Le onde di volume P
Le Onde P (o Primarie) sono le più veloci.
Sono chiamate anche «onde longitudinali»perché fanno oscillare le particelle diroccia che attraversano parallelamentealla loro direzione di propagazione.
Al loro passaggio, le rocce si comprimonoe si dilatano
Tratto da http://www.fraspe.it/scienze/geofisica/terremoti.htm
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Le onde di volume S
Le Onde S (o Secondarie) viaggiano piùlentamente delle P.
L'oscillazione delle particelle di roccia cheattraversano avviene trasversalmenterispetto alla direzione di propagazionedell’onda.
A differenza delle Onde P, le Onde S noncausano variazioni di volume al loropassaggio e non si propagano nei fluidi.
Tratto da http://www.fraspe.it/scienze/geofisica/terremoti.htm
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Le onde di superficie di Rayleigh
Quando le Onde P e le Onde S raggiungono la superficie, cessano di propagarsi e a loro posto cominciano a propagarsi concentricamente le onde superficiale,
I due tipi principali sono:Le Onde di Rayleigh, che assomigliano a quelle che si propagano quando un sasso viene lanciato in uno stagno.
Esse fanno vibrare il terreno secondo orbite ellittiche e retrograde rispetto alla direzione di propagazione dell'onda.
Tratto da http://www.fraspe.it/scienze/geofisica/terremoti.htm
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Le onde di superficie di Love
Le Onde di Love fanno vibrare il terreno sul piano orizzontale.
Il movimento delle particelle attraversate da queste onde è trasversale e orizzontale rispetto alla direzione di propagazione delle onde.
Tratto da http://www.fraspe.it/scienze/geofisica/terremoti.htm
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Effetti cui sono sottoposte le onde sismiche nell’attraversare gli strati profondi della crosta sono principalmente: riflessioni, rifrazioni, dispersioni, attenuazioni e focalizzazioni. All’aumentare della distanza dalla sorgente le onde sismiche:• si a enuano, ossia si riducono in ampiezza;• il periodo fondamentale (l’armonica con associato il più alto contenuto
energetico) aumenta;• la durata apparente del moto aumenta;• la direzione di propagazione delle onde tende alla verticale.
il percorso di propagazione e il suo effetto sulle sulle onde
Principi di analisi del segnale
Onda: perturbazione che nasce da una sorgente e si propaga nello spazio e che può trasportare energia o quantità di moto. La perturbazione è costituita da una variazione di una qualunque grandezza fisica (pressione, temperatura, posizione, intensità del campo elettrico ecc.)
Richiami
Frequenza f=1/T La frequenza si misura in Hertz [Hz] Hz = 1 / s
Parametri caratteristici di un’onda nel tempo
Lunghezza d’onda (λ): distanza tra due creste o due ventri successivi in un’onda periodica.
λ= (vel. di propagazione) / (frequenza) = v/f = v·T
Parametri caratteristici di un’onda nello spazio
Segnale periodico: segnale con un andamento nel tempo che si ripete sempre uguale a se stesso dopo un particolare intervallo di tempo detto periodo.
Segnale periodico
Un segnale periodico continuo e limitato (condizioni sempre soddisfatte da un segnale fisico) si può esprimere attraverso la somma un termine costante e di infinite funzioni sinusoidali, determinate da 3 parametri: ampiezza, frequenza e fase.
1
00 )2()(n
nn tfnsenAAts
Teorema di Fourier
Teorema di Fourier
Un segnale fisico di conseguenza si può esprimere indifferentemente o nel dominio del tempo o nel dominio della frequenza (congiuntamente con la fase).Nell’analisi dei segnali è molto più conveniente utilizzare la rappresentazione nel dominio di frequenza e fase.
Teorema di Fourier
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Cos’è la Risposta Sismica Locale
Tratto da T. Crespellani – Università di Firenze
Variabilità del moto sismico con la distanza in un sottosuolo omogeneo: gli effetti del sisma si riducono via via con la distanza, RSL < 1.
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Cos’è la Risposta Sismica Locale (RSL)
Variabilità del moto sismico con la distanza in un sottosuolo omogeneo: gli effetti del sisma si riducono via via con la distanza, RSL < 1.
Tratto da T. Crespellani – Università di Firenze
Variabilità del moto sismico con la distanza in un sottosuolo disomogeno: gli effetti del sisma possono essere «localmente amplificati», cioè RSL >1.
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Tratto da T. Crespellani – Università di Firenze
Città del Messico, 1985
La Risposta Sismica Locale non è solo teoria!
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Risposta Sismica Locale (amplificazionelocale) – modificazione in ampiezza, frequenzae durata dello scuotimento sismico dovuta allespecifiche condizioni lito-stratigrafiche emorfologiche di un sito.
Si può quantificare mediante il rapporto tra ilmoto sismico alla superficie del sito e quelloche si osserverebbe per lo stesso eventosismico su un ipotetico affioramento di rocciarigida con morfologia orizzontale. (se questorapporto è maggiore di 1, si parla diamplificazione locale).
Risposta Sismica Locale
http://www.protezionecivile.gov.it/jcms/it/microzonazione.wp
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Cosa influenza la Risposta Sismica Locale?
Tratto da T. Crespellani – Università di Firenze
Le situazioni geologiche e morfologiche, in cui le condizioni locali possono portare a amplificazione del segnale sismico in arrivo al sito su roccia sono riconducibili essenzialmente alle seguenti tre casistiche:
• depositi costituiti da terreni stratificati di caratteristiche meccaniche diverse da quelle della roccia sottostante (effetti stratigrafici 1D) ;
• depositi di valle con bordi e morfologie del substrato irregolari dove le onde sismiche possono subire fenomeni di rifrazione e riflessione con generazione all’interfaccia di onde superficiali e concentrazioni di energia (effetti di bordo 2D-3D);
• sommità di rilievi collinari, creste, promontori costituiti da formazioni rocciose, profili di versanti, pendii, bordi di terrazzi (effetti topografici)
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L’effetto dell’amplificazione su differenti tipologie edilizie
Tratto da Newmark (1970)
Si noti che lo stesso grado di amplificazione ha effetti differenti sulle diverse tipologie edilizie a seconda che si abbia o meno sincronizzazione tra il periodo proprio del sito considerato e della struttura in esame (problema della doppia risonanza).
La Risposta Sismica Locale è quindi definita non solo in termini di singolo valore numerico di amplificazione, ma anche definendo per quali valori di periodo/frequenza tale amplificazione avviene
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Valutazione della Risposta Sismica Locale
Quantificare laRisposta Sismica Locale
Stratigrafianota
Metodi Empirici
Modellazioni numeriche
Stratigrafia incognita
Misure strumentali
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Metodi Empirici
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Metodi Empirici
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Metodi Empirici
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Metodi Approssimati
Stima approssima del periodo proprio di vibrazione di un terreno stratificato (strati piani paralleli, materiale omogeneo elastico)
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Modellazioni approssimate
Si approssima il terreno (continuo) con un modello discreto S-DOF o M-DOF sostituendo ad ogni strato di terreno un sistema concentrato di masse, molle e smorzatori (si approssima cioè il terreno con un telaio shear-type equivalente
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Modellazioni FEM
휌휕 푢휕푡 = 퐺
휕 푢휕푧 + 휂
휕 푢휕푡휕푧
휌휕 푢 + 푢
휕푡 +휕휕푧 휇 푧, 훾
휕 푢휕푡휕푧 −
휕휕푧 퐺 푧, 훾
휕푢휕푧 = 0
I moderni codici di calcolo (e calcolatori) possono risolvere abbastanza velocemente e agevolmente le equazioni di equilibrio dinamico operando sia in tensioni totali che in tensioni efficaci. Si possono utilizzare modelli lineari, lineari equivalenti o non lineari con geometrie 1D 2D o 3D. Il moto di input può essere un accelerogramma (nella maggior parte dei casi), oppure un velocigramma o uno spettro di risposta o di Fourier o una spettro di densità di potenza.
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Esempio di modellazioni FEM 1D
Bisogna fare attenzione alla falsa sensazione di accuratezza di questimetodi in quanto il modello utilizzato è davvero corretto? Masoprattutto qual è la dipendenza della soluzione dai dati di input? Esoprattutto, i dati di input sono corretti?