La metodologia sismica HVSR (Horizontal to Vertical Spectral Ratio) permette la misura del rumore sismico ambientale, che è presente ovunque sulla superficie terreste. Esso è prodotto dai fenomeni naturali (perturbazioni meteoclimatiche, microterremoti, ecc.) e dall’attività antropica.
Il rumore sismico ambientale viene anche chiamato microtremore poichè costituito da oscillazioni di piccolissima ampiezza, se confrontate con quelle associate ai terremoti. La denominazione di “sismica passiva” dipende dal fatto che il rumore non viene generato artificialmente, come nelle energizzazioni della sismica attiva, ma è presente naturalmente.
A questo comportamento spettrale di “fondo”, sempre presente in varia forma e soggetto a scarsissima attenuazione, si sovrappongono le sorgenti locali dovute alle attività antropiche (traffico stradale, macchinari, ecc.). L’effetto di queste sorgenti locali è soggetto ad attenuazioni tanto maggiori all’aumentare della frequenza e dovute all’assorbimento anelastico, associato all’attrito interno delle rocce e dei terreni.
La metodologia HVSR, introdotta da Nakamura (1989), permette la determinazione delle frequenze di risonanza dei terreni e la stima dell’amplificazione sismica locale, elementi di grande utilità per l’ingegneria sismica. La frequenza fondamentale di risonanza (F) dello strato di terreno n è data dalla formula:
Fn = Vs/4H
dove: Vs è la velocità media delle onde di taglio nello strato n; H è lo spessore dello strato n
Teoricamente questo effetto è sommabile cosicché la curva HVSR mostra come massimi relativi le frequenze di risonanza dei vari strati. Esse, insieme ad una stima delle velocità, permettono di fornire previsioni sullo spessore H degli strati. Viceversa, nota la stratigrafia è teoricamente possibile fornire una valutazione approssimativa della velocità delle onde S nei singoli strati.
Modalità esecutive
Lo strumento impiegato per lo scopo è un apparecchio a stazione singola (Moho Tromino®), dotato di tre canali velocimetrici elettrodinamici ad alta risoluzione, per l’acquisizione del microtremore sismico ambientale, fino a circa ± 1,5 mm/s. In pratica si tratta di un sismometro a tre componenti (due orizzontali e una verticale), mediante il quale è possibile giungere alla definizione del rapporto fra le ampiezze spettrali medie delle vibrazioni ambientali.
I sensori sono disposti secondo le tre direzioni ortogonali (terna x, y e z) e, smorzati criticamente, trasmettono il segnale ad un sistema di acquisizione digitale a basso rumore, con risoluzione non inferiore a 24 bit.
L'apparecchio, mediante i 3 velocimetri, acquisisce dunque tre modi di vibrazione diversi, che possono venire poi confrontati e ricostruiti in una curva che esprime la differenza dei movimenti orizzontali rispetto ai movimenti verticali, espressa come amplificazione. Le misure acquisite sono poi campionate in una finestra temporale (time window); su queste finestre viene effettuata una trasformazione di Fourier (FFT) in modo da ottenere una rappresentazione grafica con asse x in Hertz (Hz) ed in asse y il fattore di amplificazione delle misure orizzontali, rispetto a quelle verticali.
Ogni picco osservato nel grafico H/V corrisponde pertanto ad una frequenza fondamentale del sito. Frequentemente ne è presente uno solo, ma più contrasti di impedenza sismica, a profondità sensibilmente diverse, ne generano altrettanti.
- Valori spettrali delle componenti N-S, E-W e verticale -
- Curva H/V, determinata dal rapporto fra le tre componenti spettrali -
In caso di sollecitazioni sismiche qualora la frequenza di risonanza del sottosuolo coincidesse con quella di una data struttura, può aversi un fenomeno di accoppiamento fra le due modalità di vibrazione (quella del sottosuolo e quella della struttura), da cui deriverebbe un grande aumento della sollecitazione sugli edifici. Per questo motivo l’amplificazione sismica è oggi considerata la prima causa dei danni indotti dal terremoto. Inoltre è ben fondata l'ipotesi che un cambiamento sensibile dei modi principali della struttura sia legato al danneggiamento o all’alterazione della struttura stessa.
Infine, riguardo la stima della velocità di propagazione al suolo delle onde di taglio, Castellaro e Mulargia (2009) hanno dimostrato che si può determinare, con una precisione confrontabile con quella di altri metodi, la velocità media (armonica) delle onde sismiche, fino ad almeno 30-50 metri di profondità.
- Un esempio di modello 1D di terreno, rappresentativo dei sismostrati -
La sovrapposizione, secondo Castellaro, è possibile ed univoca solo se la curva è agganciata ad una discontinuità sismica, la cui profondità è nota con altri metodi (indagini sismiche o geologico-geotecniche, quali carotaggi in sito, prove DPSH o CPT od anche pozzetti esplorativi). In tal caso in presenza di un picco di risonanza ben individuato e nota la profondità del riflettore che dà la risonanza, è possibile ottenere una stima di massima della velocità media delle onde di taglio delle coperture. La curva viene modellata tramite le equazioni del modello 1-D di sottosuolo, nella formulazione Thomson-Haskell-Dunkin (trattato in Ben-Menahem & Singh, 1981, Seismic waves and sources) con un codice di calcolo proprietario (Moho Grilla®).
Il processo del software è iterativo e attraverso piccole modifiche di profondità e velocità rende possibile "fittare" ovvero modellare la curva teorica in modo da seguire la curva acquisita in campagna, ottenendo le velocità e gli spessori degli strati successivi.
