Frequency-dependent response of snow in uniaxial compression and comparison with numerical simulation

La determinazione del modulo di Young è fondamentale nello studio della propagazione di fratture prima del rilascio di una valanga e per lo sviluppo di affidabili modelli di stabilità della neve. Il confronto tra simulazioni numeriche del modulo di Young e i valori sperimentali mostra che questi ultimi sono tre ordini di grandezza inferiori a quelli simulati (Reuter et al. 2013)⁠. Lo scopo di questo lavoro è stimare il modulo di elasticità studiando la dipendenza dalla frequenza della risposta di diversi tipi di neve a bassa densità, 140-280 kg m-3. Ciò è stato fatto applicando una compressione dinamica uniassiale a -15°C nel range 1-250 Hz utilizzando il Young's modulus device (YMD), prototipo di cycling loading device progettato all'Istituto per lo studio della neve e delle valanghe (SLF). Una risposta viscoelastica della neve è stata identificata a tutte le frequenze considerate, la teoria della viscoelasticità è stata applicata assumendo valida l'ipotesi di risposta lineare della neve. Il valore dello storage modulus, E', a 100 Hz è stato identificato come ragionevolmente rappresentativo del modulo di Young di ciascun campione neve. Il comportamento viscoso è stato valutato considerando la loss tangent e la viscosità ricavata dai modelli di Voigt e Maxwell. Il passaggio da un comportamento più viscoso ad uno più elastico è stato trovato a 40 Hz (~1.1•10-2 s-1). Il maggior contributo alla dissipazione è nel range 1-10 Hz. Infine, le simulazioni numeriche del modulo di Young sono state ottenute nello stesso modo di Reuter et al.. La differenza tra le simulazioni ed i valori sperimentali di E' sono, al massimo, di un fattore 5; invece, in Reuter et al.⁠, era di 3 ordini di grandezza. Pertanto, i nostri valori sperimentali e numerici corrispondono meglio, indicando che il metodo qui utilizzato ha portato ad un miglioramento significativo.

I terremoti storici hanno fatto più danni nella parte nord-occidentale di Bologna: ricerca di una spiegazione geofisica per questo fenomeno

Dallo studio della sismicità storica della città di Bologna (Guidoboni e Boschi, 2003) emerge che la maggior parte dei danni causati dai terremoti è concentrata nella parte Nord e Nord-Ovest della città, a nord delle attuali vie S. Donato e S. Isaia. In questo lavoro abbiamo studiato la risposta sismica in diversi siti del centro storico di Bologna, per capirne il comportamento in caso di terremoto e verificare se i risultati fossero compatibili con i dati storici. È stata effettuata una campagna di misure geofisiche: 52 con tecnica passiva a stazione singola HVSR per misurare le frequenze di amplificazione dei sottosuoli (47 all’interno delle mura), 5 in array per misurare l’andamento delle velocità delle onde di taglio nel sottosuolo (tutte all’interno delle mura). 22 delle 47 misure H/V mostrano amplificazione nell’intervallo di frequenze tra 1 e 10 Hz, quello di interesse per le strutture del centro storico. Le cause di queste amplificazioni si ipotizzano essere un livello ghiaioso a circa 10-15 m di profondità (Fiori, 2002) in approfondimento da centro città verso est, e un livello sabbioso a circa 10 m di profondità (Amorosi, 2014). Le misure in array, invece, indicano sostanzialmente che l’estremità orientale della città storica ha rigidezze maggiori a profondità maggiori di 50 m. Il dato derivante dalla sismologia storica, in sintesi, non pare essere completamente supportato da evidenze geologiche o geofisiche: la risposta sismica all’interno delle mura di Bologna varia leggermente da punto a punto, ma senza mostrare trend applicabili ad estese macroaree. Solo l’estremo Nord-Est della città ha un comportamento amplificativo più omogeneo (amplificazione a 1-3 Hz) in linea con la geologia locale, che presenta livelli marcatamente ghiaiosi sotto i 15 m di profondità. La variabilità geologica e di risposta sismica locale è stata verificata essere molto maggiore fuori dalle mura di cinta della città.

Sub-wavelength resonators as seismic Rayleigh waves shield

We explore the thesis that tall structures can be protected by means of seismic metamaterials. Seismic metamaterials can be built as some elements are created over soil layer with different shapes, dimensions, patterns and from different materials. Resonances in these elements are acting as locally resonant metamaterials for Rayleigh surface waves in the geophysics context. Analytically we proved that if we put infinite chain of SDOF resonator over the soil layer as an elastic, homogeneous and isotropic material, vertical component of Rayleigh wave, longitudinal resonance of oscillators will couple with each other, they would create a Rayleigh bandgap frequency, and wave will experience attenuation before it reaches the structure. As it is impossible to use infinite chain of resonators over soil layer, we considered finite number of resonators throughout our simulations. Analytical work is interpreted using finite element simulations that demonstrates the observed attenuation is due to bandgaps when oscillators are arranged at sub-wavelength scale with respect to the incident Rayleigh wave. For wavelength less than 5 meters, the resulting bandgaps are remarkably large and strongly attenuating when impedance of oscillators matches impedance of soil. Since longitudinal resonance of SDOF resonator are proportional to its length inversely, a formed array of resonators that attenuates Rayleigh waves at frequency ≤10 Hz could be designed starting from vertical pillars coupled to the ground. Optimum number of vertical pillars and their interval spacing called effective area of resonators are investigated. For 10 pillars with effective area of 1 meter and resonance frequency of 4.9 Hz, bandgap frequency causes attenuation and a sinusoidal impulsive force illustrate wave steering down phenomena. Simulation results proved analytical findings of this work.