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Microtremori
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Le prospezioni geofisiche possono contribuire alla migliore conoscenza della risposta sismica dei siti ed alla interazione terreno-struttura in caso di evento. Tra le misure geofisiche, un notevole contributo possono fornire le acquisizioni sismiche effettuate con vere e proprie stazioni sismiche portatili, sia utilizzando il tremore naturale della Terra (noise bianco) sia utilizzando sollecitazioni artificiali quali esplosioni, macchine vibranti, ecc., sia, ovviamente, registrando in sito veri terremoti di varia grandezza. Il violento terremoto di Città del Messico (settembre 1985, M=8.0) ha dimostrato definitivamente che il fattore predominante delle variazioni dell’entità dello scuotimento del suolo, in occasione di terremoti di interesse ingegneristico, è rappresentato dalla risposta sismica locale rispetto agli effetti di sorgente. I metodi analitici (modellizzazioni numeriche bi e tri-dimensionali) per prevedere e spiegare tali “effetti di sito” risultano in genere inapplicabili, in quanto necessitano di una perfetta conoscenza della reologia dell’area in esame. L’uso di metodi empirici risulta quindi la via più semplice ed idonea da seguire. Tra questi ultimi, l’utilizzo del “noise” sismico di fondo rappresenta uno dei metodi più semplici e a basso costo per determinare le funzioni di trasferimento dell’energia sismica dei siti. Il vantaggio di usare i microtremori è che non si deve aspettare un terremoto per registrare dati utili per determinare le funzioni di amplificazione ed i periodi di risonanza dei terreni.

Per rumore sismico di fondo si intende una sollecitazione il cui spettro è ugualmente ricco in tutte le frequenze. Un’amplificazione di una determinata frequenza dovrebbe quindi essere legata ad un effetto di sito. Tale frequenza è da considerarsi come la frequenza di oscillazione predominante di quel terreno, che, per evitare pericolosi fenomeni di risonanza, dovrebbe essere sufficientemente diversa da quella delle strutture. E’ infatti noto che il verificarsi di fenomeni di risonanza può causare un incremento dei danni subiti dalle strutture. Lo studio della possibilità di risonanze suolo-edifico è particolarmente interessante in concomitanza di eventi sismici di moderata intensità. Si ipotizza infatti che in presenza di una sollecitazione sismica non eccessivamente intensa, si danneggino per primi quegli edifici che o abbiano una particolare vulnerabilità strutturale oppure sono sfavorevolmente interessati da fenomeni di amplificazione locale di particolare ampiezza in concordanza con la propria frequenza fondamentale di oscillazione. La natura dei microtremori non è perfettamente chiara; si ritiene generalmente che siano costituiti in parte da onde superficiali (onde oceaniche, attività industriali umane, variazioni della pressione atmosferica ed azione del vento sulla vegetazione ed i rilievi, traffico stradale, ecc.) e in parte da onde di volume (dilatazioni termiche profonde, attività sismica di bassissimo livello, ecc.). La possibilità di utilizzare i microtremori per predire la risposta sismica in un sito in caso di terremoto è stata a lungo oggetto di controversie in ambiente scientifico. Recenti lavori hanno però dimostrato che, in determinate aree e tenendo ferme alcune assunzioni e determinate procedure di acquisizione, tale metodo risulta di estrema utilità ed efficacia negli studi finalizzati alla riduzione del rischio sismico.

 

Il metodo dei microtremori (Kanai e Tanaka, 1961; Iwasaki e Sukamoto, 1977) si basa sull’assunto che in ogni sito la curva di distribuzione dei periodi dei microtremori mostra una buona correlazione con quella ottenuta da registrazioni di terremoti effettuate nello stesso sito. Secondo questa ipotesi, è sufficiente registrare il rumore sismico di fondo presente in un sito per predire la forma dello spettro di un terremoto distruttivo; in particolare il periodo predominante di un terremoto dovrebbe essere strettamente connesso con quello dei microtremori. Dal punto di vista analitico si ha, in breve, che se in una certa area il rumore ambientale è costante, cioè‚ non vi sono sorgenti di rumore antropico localizzato e predominante, N(w) rappresenta lo spettro di tale rumore quale verrebbe misurato direttamente al bedrock. In superficie si avrà nei diversi punti 1, 2,..., k:

N1(w)= N(w)*H1(w), N2(w)= N(w)*H2(w),..., Nk(w)= N(w)*Hk(w)       (1)

dove H1(w), H2(w),...,Hk(w) sono le funzioni di trasferimento dei siti 1,2,..., k. Supponendo che nei precedenti siti incidano le onde sismiche generate da un terremoto a distanza notevolmente maggiore rispetto alla distanza tra i punti di osservazione ed essendo A(w) lo spettro del terremoto al bedrock (indifferentemente accelerazione, velocità o spostamento), in superficie si otterrà:

A1(w)= A(w)*H1(w), A2(w)= A(w)*H2(w),...,Ak(w)= A(w)*Hk(w)    (2)

Ipotizzando che H1(w), H2(w),...,Hk(w) siano le stesse in caso di debole o di forte movimento del suolo, si ha che:

A1(w)/N1(w)=A2(w)/N2(w)=...=Ak(w)/Nk(w)    (3)

e di conseguenza

A2(w)/A1(w)=N2(w)/N1(w)=H2(w)/H1(w)     (4)

In pratica ciò significa che il rapporto spettrale tra due siti è uguale sia per registrazioni del rumore di fondo che per sollecitazioni prodotte da forti terremoti. Quindi, in base alla (4), si può ricavare la risposta di un generico sito k-esimo ad un evento sismico, noto lo spettro dei microtremori nei siti 1 e k, che sarà data da:

Ak(w)=Nk(w)*(A1(w)/N1(w))      (5).

La stabilità temporale nello spettro del microtremore è quindi la condizione necessaria per l’applicabilità di tale metodo ai fini della determinazione del periodo proprio dei terreni superficiali del sito in prospettiva di protezione sismica. Inoltre se si dispone di registrazioni sismiche al “bedrock”, è possibile calcolare “la funzione di trasferimento” dell’energia sismica da tale livello alla superficie, stimando quindi l’amplificazione locale dovuta ai terreni superficiali presenti nel sito. E’ possibile inoltre calcolare dei rapporti spettrali tra un sito di riferimento ed altri al fine di valutare le amplificazioni relative alle varie frequenze. Naturalmente occorre che le condizioni ed i momenti di rilievo siano eguali tra la registrazione al sito di riferimento ed in quello considerato.