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Microtremori
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Negli ultimi anni si è affermato in ambiente scientifico un metodo di elaborazione delle registrazioni di noise che valuta il rapporto spettrale tra le componenti orizzontali e verticali del moto (rapporto H/V). La cosiddetta tecnica di Nakamura (1989) consente di stimare in via qualitativa e, attraverso procedure semplificate di inversione, le funzioni di amplificazione dei suoli senza la necessità di disporre di registrazioni al bedrock.

Le principali assunzioni implicite in questa metodologia sono che i microtremori derivano sia da onde di volume SH incidenti verticalmente e sia da onde superficiali (prevalentemente di Rayleigh) e che la componente verticale (V) del noise nel passare dal bedrock alla superficie non subisce amplificazione. Nel dominio delle frequenze, l’amplificazione del suolo dovuta ad una superficie di strato a bassa velocità è data da:

H(f) = [hn(f)2 + hu(f)2 ]½

dove hn(f) e hu(f) sono rispettivamente le componenti verticali ed orizzontali dell’amplificazione del suolo H(f); hn(f)  è data dal rapporto fra la componente verticale del moto sulla superficie Vs(f) e la componente verticale al bedrock Vb(f):

hn(f) = Vs (f) / Vb(f) =  Sn(f) * M(f) * Dn(f) / Sn(f) * M(f)  dove Sn(f) rappresenta il contributo della sorgente, M(f) l’effetto di percorso dalla sorgente e D(f) rappresenta l’amplificazione indotta dai depositi sedimentari. Analogamente la componente orizzontale di H(f) può essere definita come:

hu(f) = Us(f) / Ub(f) = Su(f) * Du(f) * M(f) / Su(f) * M(f)

dove Us(f) e Ub(f) sono rispettivamente le componenti orizzontali del moto sulla superficie e sul bedrock. Effettuando il rapporto fra la componente orizzontale e verticale di H(f) si ottiene:

hu(f) / hn(f) = Du(f) / Dn(f) = Us(f) * Vb(f) / Ub(f) * Vs(f)

Nakamura considerò che la componente verticale hn(f) dei microtremori, nel passare dal bedrock in superficie non subisce amplificazione, per cui, nell’equazione precedente si ha Dn(f) = 1.  Quindi:

Du(f) = Us(f) * Vb(f) / Ub(f) * Vs(f)

Assumendo che al bedrock l’ampiezza spettrale di entrambe le componenti è la stessa  Ub(f) = Vb(f) la risposta di sito dipenderà soltanto dall’amplificazione subita dalla componente orizzontale del noise:

Du(f) = Us(f) / Vs(f)

Il metodo di Nakamura è stato adottato, negli ultimi anni da vari autori per la stima della risposta di sito, con risultati e valutazioni sul metodo spesso contrastanti.

A tale metodo viene infatti ormai unanimemente riconosciuta la capacità di prevedere il primo modo di vibrazione dei terreni, anche se non vi è simile consenso sul fatto che sia possibile avere un corretto valore della ampiezza. Molti autori ritengono che il valore dedotto da analisi di rumore di fondo sia di fatto il limite inferiore della amplificazione attesa in caso di terremoto; altri considerano i valori di ampiezza riscontrati validi con una approssimazione valutata intorno al 10% in zone con un assetto geologico molto semplice (strati pian-paralleli).

Ricordiamo che la funzione di amplificazione ha il significato di moltiplicatore, per ciascuna frequenza, del valore di accelerazione orizzontale atteso su di un sito rigido e morfologicamente piano.


Operazioni sul campo e tecniche di elaborazione

Per le registrazioni del “noise” si utilizza una stazione sismica digitale compatta e leggera, equipaggiata con sismometro a banda larga e ad alta sensibilità (Tromino – Micromed S.p.a.), costituito da una terna di velocimetri a breve periodo smorzati criticamente. Le caratteristiche tecniche della strumentazione utilizzata (masse ridotte, struttura rigida non risonante costituita da materiali non-diffrangenti, dinamica di oltre 23 bit, ottimizzazione automatica del guadagno per ogni campione, frequenza di campionamento fino a 1.024 campioni per secondo, accuratezza relativa >10-4 nell’intervallo di frequenze 0.1-200 Hz) garantiscono una buona qualità del segnale sismico acquisito sulle tre componenti (verticale, longitudinale e trasversale).

Le acquisizioni si eseguono in assenza di vento e in sostanziali condizioni di basso rumore ambientale, scegliendo una finestra temporale di acquisizione di 20 minuti, per garantire la stabilità del segnale e filtrare eventuali fenomeni transienti. Attraverso l’utilizzo di una bussola professionale da geologo, inoltre, la componente longitudinale N-S viene orientata verso Nord nella registrazione del rumore sismico al suolo, al fine di confrontare e valutare eventuali amplificazioni polarizzate. I dati registrati su supporto magnetico sono quindi elaborati mediante applicativi software commerciali specifici ed altri appositamente predisposti, che operano il trattamento matematico e l’analisi spettrale del segnale. Le registrazioni sono ottenute in “velocità” con la possibilità di ricavare comunque la trasformazione in “spostamento” ed in “accelerazione” del moto del suolo.

Per l’elaborazione dei dati viene seguita la procedura consigliata nelle linee guida del SESAME (Site Effects assessment using Ambient Excitations), un progetto di ricerca europeo condotto nel triennio 2003-2005 al fine di standardizzare e migliorare le tecniche di microzonazione sismica attraverso le misure del rumore ambientale. Preliminarmente alla procedura di analisi dei rapporti spettrali, le tracce sismiche registrate sono verificate eliminando i disturbi transienti e quelle parti di registrazioni non adatte all’analisi. Una volta selezionata la parte di segnale stabile si calcolano, per ognuna delle tre componenti del moto, le ampiezze spettrali e gli spettri di potenza del “noise”, procedendo successivamente, per il “rumore naturale”, alla valutazione della distribuzione energetica in frequenza.

I dati spettrali risultanti dalle elaborazioni numeriche effettuate si analizzano in genere entro l’intervallo 0.1-20.0 Hz, in quanto oltre tale limite si ritiene che non vi siano frequenze significative dal punto di vista geologico-geotecnico.