Il calcolo dell’azione sismica per l’analisi strutturale degli edifici richiede la determinazione della categoria di sottosuolo mediante opportune indagini di tipo geofisico da eseguire in sito. La tipologia di indagine più utilizzata per la determinazione della categoria di sottosuolo è la prova MASW (acronimo di Multichannel Analysis of Surface Waves, ovvero Analisi Multi-canale delle Onde di Superficie). In quest’articolo vedremo nel dettaglio cos’è la prova MASW, come si esegue e su quali principi fisici si basa.
L’esecuzione delle indagini di tipo geofisico per la determinazione della categoria di sottosuolo, l’analisi e interpretazione dei risultati sono operazioni che competono ad un geologo professionista, incaricato dal committente per la redazione della relazione geologica.
Anche se le indagini geofisiche non rientrano appieno fra le competenze di un ingegnere strutturista, essere a conoscenza dei princìpi fisici alla base della prova MASW e della strumentazione utilizzata sarà senz’altro d’aiuto ai fini della corretta elaborazione del modello geotecnico di sottosuolo. Spero che i contenuti di quest’articolo possano esserti d’aiuto in tal senso. Buona lettura!
A cosa serve la prova MASW: individuazione della categoria di sottosuolo e calcolo dell’azione sismica
L’individuazione della categoria di sottosuolo mediante esecuzione di prova MASW è un passaggio fondamentale, necessario per il calcolo dell’azione sismica sulle costruzioni. Le prove geofisiche vengono eseguite in combinazione con le indagini geognostiche (ad esempio le indagini penetrometriche) per la definizione del modello geotecnico di sottosuolo.
Il risultato che si ottiene dalla prova MASW è la velocità Vs di propagazione delle onde di taglio nel suolo. In base al valore della velocità Vs è possibile definire la categoria di sottosuolo utilizzando l’apposita tabella delle NTC2018. Nell’immagine seguente ti riporto la classificazione delle categorie di sottosuolo in funzione della velocità Vs ai sensi delle NTC2018.
Una volta determinata la categoria di sottosuolo mediante i risultati della prova MASW, sarà possibile determinare il coefficiente di amplificazione stratigrafica Ss che entra in gioco nella determinazione dello spettro di risposta e di conseguenza nella determinazione dell’azione sismica agente sulla costruzione oggetto di analisi.
Onde sismiche: come si classificano (onde P, S, Raylaigh e Love)
Per comprendere il funzionamento della prova MASW bisogna innanzitutto avere chiara la classificazione delle diverse tipologie di onde sismiche. Le onde sismiche sono onde meccaniche che sfruttano le proprietà elastiche del mezzo (in questo caso il suolo) per la loro propagazione. Le onde sismiche si suddividono in due categorie:
- onde di volume
- onde di superficie
Vediamo nel dettaglio le caratteristiche di queste due differenti tipologie di onde sismiche e in quali sottocategorie si suddividono a loro volta.
Onde di volume: onde P e onde S
Le onde di volume si propagano dalla sorgente sismica attraverso il volume del mezzo interessato, in tutte le direzioni. Tali onde si suddividono a loro volta in:
- onde P (prime): sono onde compressionali, dette anche onde longitudinali. Si propagano mediante compressione e rarefazione del mezzo in cui viaggiano in maniera simile alle onde acustiche. Al loro passaggio le particelle del materiale attraversato compiono un moto oscillatorio nella direzione di propagazione dell’onda. Sono le più veloci fra le onde generate da un terremoto e, dunque, le prime che vengono avvertite da una stazione sismica, da cui il nome di Onda P (prima).
- onde S (seconde): sono onde trasversali che provocano nel materiale attraversato oscillazioni perpendicolari alla direzione di propagazione. Si possono immaginare come le onde che si propagano lungo una corda di lunghezza finita che viene fatta oscillare muovendone un’estremità su e giù.
Un’importante caratteristica di queste onde è che non possono propagarsi in mezzi fluidi, in quanto i fluidi sono incapaci di trasmettere sforzi di taglio. Sono meno veloci delle onde P, la loro velocità di propagazione si aggira intorno al 60-70% della velocità delle onde P. Per questo motivo vengono anche dette onde seconde.
Onde di superficie: onde di Rayleigh e onde di Love
Le onde di superficie si generano a causa dell’intersezione delle onde di volume, appena viste, con una superficie di discontinuità fisica, come ad esempio la superficie libera della terra, ovvero la superficie di separazione tra la crosta terrestre e l’atmosfera. Queste onde si propagano lungo la superficie e la loro velocità di propagazione è inferiore alla velocità delle onde di volume. Le onde di superficie si suddividono in due sottocategorie che prendono il nome dai fisici Rayleigh e Love che per primi le hanno studiate.
- Onde di Rayleigh: si generano quando un’onda S assieme ad un’onda P incide sulla superficie libera. Tali onde vengono in parte riflesse ed in parte generano un’ulteriore onda, data dalla composizione vettoriale delle due, che si propaga sulla superficie stessa. Possiamo immaginare le onde di Rayleigh come le onde che si generano gettando un sasso in uno stagno. Il moto di una particella investita da un’onda di Rayleigh vicina alla superficie segue una traiettoria ellittica, retrograda rispetto alla direzione di propagazione dell’onda.
- onde di Love: sono generate dall’incontro delle onde S con la superficie libera del terreno. Le onde di Love fanno oscillare il terreno sul piano orizzontale in direzione ortogonale rispetto alla direzione di propagazione dell’onda. La velocità delle onde di Love è maggiore di quella delle onde S negli strati più superficiali della crosta, ma minore della stessa negli strati più profondi.
Le onde di Rayleigh potrebbero sembrare a prima vista simili alle onde S. La differenza risiede nel moto della singola particella. Nelle onde S una particella generica oscilla solo in direzione verticale, nelle onde di Rayleigh una particella prossima alla superficie del mezzo segue invece una traiettoria ellittica, come puoi vedere dalle immagini dell’articolo.
Prova MASW: quali onde sismiche vengono intercettate e come si esegue
Ora che ti sono chiare le diverse tipologie di onde sismiche che si propagano nel suolo ti pongo una domanda: secondo te la prova MASW rileva la velocità di propagazione di quali onde sismiche? Prova a pensarci un attimo. Ti darò la risposta alla fine di questo paragrafo.
La prova MASW è un’indagine geofisica in grado di rilevare la velocità di propagazione delle onde di superficie nel suolo mediante misurazioni svolte a livello del piano campagna. Per l’esecuzione della prova MASW, viene generato un segnale sismico (onda elastica) facendo cadere una massa battente su una piastra poggiata sul suolo oppure adoperando un cosiddetto fucile sismico che utilizza l’esplosione di una cartuccia a salve per generare il segnale sismico.
Il segnale generato tramite la massa battente o il fucile sismico viene rilevato da appositi ricevitori, ovvero da geofoni (solitamente almeno 12) disposti in linea retta a spaziature prestabilite. Tutti i geofoni sono collegati ad una centralina alla quale inviano il segnale rilevato. La centralina converte il segnale analogico in segnale digitale, lo amplifica e lo filtra eliminando eventuali rumori di fondo.
Registrando gli istanti di tempo in cui il segnale viene rilevato da ciascun geofono disposto in linea retta e conoscendo la distanza reciproca dei geofoni è possibile ottenere la velocità di propagazione delle onde di superficie che investono i geofoni. E tali onde sono le onde di Rayleigh. Attraverso opportune correlazioni della velocità delle onde di Rayleigh è possibile risalire alla velocità Vs delle onde di taglio (onde S), richiesta dalle NTC2018 per l’individuazione della categoria di sottosuolo.
Geofoni per prova MASW: schema di funzionamento
I geofoni sono dei trasduttori in grado di rilevare l’oscillazione della superficie del suolo e convertirla in segnale elettrico. Sono costituiti da una massa inerziale oscillante in direzione verticale a cui è collegato un avvolgimento di filo conduttore. L’avvolgimento di filo conduttore oscilla intorno ad un magnete permanente e tale oscillazione genera una variazione del campo magnetico nella bobina, producendo di conseguenza il segnale elettrico inviato alla centralina. Puoi vedere lo schema di funzionamento del geofono nell’immagine seguente.
Prova MASW: scarica il Focus Normativo PDF
Tutte le prescrizioni della Normativa Tecnica NTC2018 e della Circolare 2019 riguardanti le indagini geofisiche di tipo MASW raccolte in unico documento PDF scaricabile gratuitamente. Compila i campi qui sotto, riceverai all’istante un’email contenente il link per eseguire il download.
Conclusioni
La prova MASW è fra le indagini geofisiche più utilizzate ai fini della determinazione della categoria di sottosuolo ai sensi delle NTC2018. Sono sicuro che almeno una volta, nel corso della tua professione, ti saranno capitati fra le mani i tabulati contenenti i risultati di tale prova in allegato alla relazione geologica.
I risultati della prova MASW consentono al progettista strutturale di determinare in modo semplificato la categoria di sottosuolo su cui sorge l’edificio oggetto di studio, evitando di dover eseguire analisi di risposta sismica locale che si basano sull’utilizzo di storie temporali del moto del suolo ovvero mediante l’utilizzo di accelerogrammi storici.
Spero che i contenuti di quest’articolo ti siano stati d’aiuto per chiarire i princìpi della prova MASW. Se l’hai trovato utile puoi suggerirlo ad un tuo collega su Linkedin o ad un tuo amico su Facebook cliccando sui tasti di condivisione social in fondo alla pagina.
Al prossimo articolo.
Marco
Codice articolo: 229
Onde di Love VL: VSsup<VL<VSinf, VL < VS ! Onde VR e VL trasportano 80-90% dell'energia di un terremoto.
Cordiali saluti
Grazie del commento Mauro 🙂