sismica locale del comune di Cortino (TE

Definizione di input sintetici nello studio di risposta sismica locale del comune di Cortino (TE)

Francesca Mancini e Alice Franchina

1. Introduzione

L’Abruzzo è una regione caratterizzata da un’elevata pericolosità sismica, documentata principalmente da informazioni di sismologia storica, che per l’area in esame coprono un intervallo di tempo di circa 2000 anni (Rovida et al., 2016). L’area oggetto del lavoro di tesi qui presentato è stata colpita dalla recente sequenza sismica del centro Italia 2016-17, in una zona compresa tra la sequenza del 1997 (Umbria-Marche, nota con il nome di sequenza di Colfiorito) a Nord e la sequenza del 2009 (sequenza de L’Aquila) a Sud.

L’obiettivo principale di questo lavoro è stato quello di valutare l’input sismico (o accelerogrammi di input) più adatto per gli studi di Risposta Sismica Locale. Infatti, per determinati depositi di terreno, i fattori e le funzioni di amplificazione del moto sismico possono essere fortemente condizionati dalle caratteristiche dell’input sismico. Pertanto, la selezione dell’input sismico più adatto per gli studi di risposta sismica locale (RSL) è un punto chiave per gli studi di microzonazione sismica e quindi per la caratterizzazione del moto del terreno in superficie a seguito di un terremoto, elemento fondamentale per progettare strutture capaci di resistere alle azioni sismiche.

La vigente normativa “Norme Tecniche per le Costruzioni 2018” (Decreto Ministeriale 17 gennaio 2018, par. 3.2.3.6) consente, per la determinazione della risposta sismica locale, l’uso di accelerogrammi naturali (registrati durante un evento sismico) o sintetici (generati mediante simulazioni). La domanda principale, alla quale si è cercato di rispondere nel lavoro di tesi, è la seguente: come varia la risposta sismica locale adoperando input naturali e sintetici?

Per questo sono stati simulati gli accelerogrammi dei tre eventi di maggior entità della sequenza sismica del centro Italia 2016-17, e in particolare è stata effettuata una sperimentazione per il sito di Cortino, territorio all’interno del quale sono stati localizzati anche epicentri delle repliche della sequenza sismica. In particolare, la frazione di Cortino denominata Casanova è situata a soli 30 km dall’epicentro del terremoto del 24 agosto 2016 e risulta essere una delle frazioni più colpite per quanto concerne la distribuzione degli edifici danneggiati. 2. Risposta Sismica Locale

Nella valutazione della microzonazione sismica, per poter individuare possibili effetti di sito a seguito di un evento sismico, gli studi di risposta sismica locale (RSL) sono molto importanti.

Nella progettazione di nuove costruzioni e di verifica di quelle esistenti, sia in fase di pianificazione territoriale che di emergenza, un’adeguata definizione delle azioni sismiche è di fondamentale rilevanza. La valutazione dell’input sismico a diverse scale è possibile grazie alle analisi di risposta sismica locale e di microzonazione sismica. Nonostante risulti indispensabile lo studio degli effetti di sito alla scala della singola costruzione, non è possibile realizzare un intervento di mitigazione del rischio su ampia scala attraverso analisi di dettaglio dell’amplificazione sismica.

In un sito specifico, l’insieme delle modifiche che il moto sismico può subire a causa delle caratteristiche morfologiche e geologiche dei depositi superficiali possono mutare sensibilmente le caratteristiche del movimento sismico atteso attraverso amplificazioni del moto sismico e/o deformazioni permanenti, ed è ciò che l’analisi di RSL hanno lo scopo di determinare. Al contrario, la pericolosità sismica locale, con l’individuazione delle zone a comportamento sismico omogeneo a scala comunale, rientra negli studi di MS (Foti et al., 2018). Le diverse porzioni del territorio sono infatti suddivise in “MOPS” Microzone Omogenee in Prospettiva Sismica, ovvero delle aree con analoga risposta alla sollecitazione sismica.

Nella Circolare esplicativa della vigente normativa NTC18, la risposta sismica locale viene definita come l’azione sismica che emerge in superficie a seguito delle variazioni in termini di ampiezza, frequenza e durata che il moto sismico subisce a partire dalla formazione rocciosa di base (substrato o bedrock) fino alla superficie attraversando gli strati di terreno sovrastanti. Tali variazioni dipendono dalle condizioni morfologiche e geotecniche locali.

Lo scopo primario della RSL è dare una valutazione quantitativa del moto sismico atteso nello specifico sito di interesse, in condizioni freefield (in assenza di manufatti). Esso è il risultato di una serie di fenomeni molto complessi schematicamente divisi in tre categorie: meccanismo di sorgente, percorso di propagazione delle onde sismiche e risposta sismica del sito a partire dal bedrock fino ai sedimenti superficiali (Fig. 1 e Fig. 2). Dalla conoscenza delle prime due componenti si arriva alla definizione del moto sismico di ingresso alla base del bedrock. Analizzare le modifiche

Figura 1 - Percorso di propagazione sito-sorgente dell’onda.

Sito

Faglia

Sorgente sismica

(Lanzo e Silvestri, 1999).

Percorso di propagazione

apportate dalle condizioni di sito al moto sismico di ingresso è il principale obiettivo degli studi della risposta sismica locale.

Figura 2 - Schema di riferimento per l’analisi di risposta sismica locale.

(Marcellini et al., 2018).

In base alle caratteristiche di sottosuolo, la risposta sismica locale varia. La valutazione quantitativa di essa può essere effettuata utilizzando diverse grandezze. Confrontando i risultati ottenuti sulla superficie del terreno e quelli in corrispondenza dell’affioramento della formazione rocciosa, i parametri rappresentativi e più utilizzati sono il fattore e la funzione di amplificazione.

Per effettuare un’analisi di risposta al sito è necessario considerare gli accelerogrammi, che rappresentano le accelerazioni generate al suolo in un sito, in tre direzioni tra loro perpendicolari nel corso del tempo. Esso può essere reale o sintetico a seconda che sia registrato durante un evento sismico dalle stazioni sismiche presenti sul territorio, oppure simulato tramite codici di calcolo al computer, per riprodurre un terremoto realmente accaduto o di scenario.

Per determinare la RSL si procede quindi a selezionare un insieme di accelerogrammi che corrispondono allo spettro di riferimento. A tal riguardo, un problema significativo riguarda la scelta tra diversi tipi di accelerogrammi (Boomer, Acevedo, 2004): sintetici o reali (naturali o osservati).

Gli accelerogrammi reali sono gli input più indicativi perché riflettono in maniera autentica e diretta il moto sismico di un terremoto, riportando in sé le caratteristiche quali ampiezza, contenuto in frequenza, energia, durata e fase di eventi sismici realmente accaduti. Grazie ad un incremento delle stazioni sismiche delle reti di monitoraggio, sussiste una

crescente disponibilità di cataloghi online, che forniscono libero accesso ad una grande quantità di accelerogrammi naturali: a titolo di esempio si citano per il territorio italiano il database della RAN1 e ITACA2 (Luzi et al., 2017), l’ESM3 a livello europeo (Luzi et al., 2016). Tuttavia, la procedura per selezionare gli accelerogrammi naturali è ancora controversa. Sono disponibili diversi software per la selezione automatizzata di accelerogrammi reali: in questo studio è stato utilizzato REXEL (Iervolino et al., 2009).

Gli accelerogrammi sintetici sono generati a partire da modelli di sorgente sismologici, considerando anche gli effetti della propagazione sito − sorgente. I modelli numerici richiedono la definizione di un numero piuttosto elevato di parametri di input i cui valori, a volte, possono essere difficilmente fissati “a priori”. Nonostante esista una Rete Accelerometrica Nazionale, costituita attualmente da 464 stazioni accelerometriche distribuite sull’intero territorio nazionale per la registrazione dei terremoti, non sempre le stazioni sono collocate in zone utili: una delle ragioni che ha condotto allo sviluppo di applicativi per la creazione di sismogrammi sintetici è la scarsa disponibilità di accelerogrammi registrati dalle stazioni accelerometriche in zone epicentrali (vicino la sorgente) in cui il movimento del terreno ha caratteristiche peculiari. Tali zone sono proprio quelle che destano grande preoccupazione negli studi di microzonazione e nella valutazione della pericolosità e del rischio sismico.

Gli accelerogrammi hanno altri indubbi vantaggi: consentono di valutare l’influenza dei parametri di input sul moto sismico, di stimare la variabilità spaziale del segnale sismico e di simulare eventi sismici storici.

3. Metodologia di simulazione

In questo studio è stato scelto il metodo stocastico (Hanks, McGuire, 1981) a faglia finita per simulare (sintetizzare) i terremoti, perché ha il vantaggio, rispetto alle altre metodologie, di essere meno complesso e più efficiente in termini di risorse computazionali. Inoltre, in base alla letteratura disponibile, è stato ritenuto più opportuno poiché può essere ampiamente utilizzato per simulare accelerogrammi nell’intervallo di frequenza di interesse in ambito progettuale.

Tale metodo, infatti, è particolarmente utile per simulare moti sismici alle alte frequenze, di interesse ingegneristico (generalmente f > 0.1 Hz), poiché permette di ottenere una stima ragionata dello scuotimento considerando le informazioni geologiche, tettoniche, sismologiche e geofisiche disponibili. Una caratteristica essenziale di questa metodologia è quella

1: http://ran.protezionecivile.it 2: http://itaca.mi.ingv.it 3: http://esm.mi.ingv.it

di rappresentare tutto ciò che si conosce dei vari fattori che influenzano il segnale sismico: sorgente, propagazione, sito (Boore, 2003).

I termini di sorgente determinano l’entità del terremoto, e vanno dalla dimensione del piano di faglia al tipo di movimento e alla quantità di energia rilasciata. I parametri di propagazione includono gli effetti delle attenuazioni del movimento del suolo e la durata temporale. Gli effetti di sito incorporano le impostazioni geologiche locali e dettagliano gli effetti della topografia di superficie o di sottosuolo di un sito specifico.

EXSIM (Extended Finite-Fault Simulation) è un algoritmo open source4 scritto in Fortran in grado di generare simulazioni stocastiche con modello di faglia finita, originariamente sviluppato da Motazedian e Atkinson (2005). Il modello di sorgente a faglia-finita rappresenta uno strumento importante per la valutazione del moto sismico anche in zone epicentrali.

Per eseguire le simulazioni dei tre eventi sismici più forti della sequenza del centro Italia, sono state considerate tre sorgenti sismiche diverse (Chiaraluce et al., 2017). I parametri di propagazione e di sito sono i componenti critici nelle simulazioni del moto sismico, per tale motivo sono state effettuate due simulazioni considerando parametri calcolati per l’Italia centrale, proposti da due diversi autori (Pacor et al., 2016; Malagnini et al., 2011).

4. Caso di studio

Le analisi di risposta sismica locale bidimensionale sono state realizzate mediante il software LSR2D v4.0 nella frazione di Casanova del comune di Cortino (TE). È stata selezionata tale frazione in quanto precedentemente caratterizzata mediante rilievi geologici e geomorfologici, indagini geofisiche e prove geotecniche nell’ambito degli studi di Microzonazione sismica: informazioni senza le quali è impossibile realizzare studi di risposta sismica locale ad hoc. Inoltre, non è presente nel territorio nessuna stazione accelerometrica su suolo rigido, la più vicina a Casanova è situata a circa 10 km di distanza.

L’area considerata fa parte della zona settentrionale dell’Appennino Abruzzese e rientra nella fascia a medio - alta pericolosità sismica che corre lungo l’asse della catena appenninica. Attualmente la valutazione della pericolosità sismica di riferimento sul territorio italiano si basa su un approccio probabilistico (metodo di Cornell, 1968) che consiste nella stima della probabilità che si verifichi un livello di scuotimento sismico maggiore di un assegnato valore di accelerazione orizzontale massima al suolo a(g), entro un dato periodo di tempo: per Casanova è pari a 0.206 g con probabilità di superamento del 10% in 50 anni.

4 https://www.daveboore.com/software_online.html

Figura 3 - Epicentri dei terremoti occorsi nell’area dell’Italia centrale negli ultimi 20 anni, con particolare riguardo alle 3 principali sequenze sismiche del 1997, del 2009 e del 2016. Con il rettangolo nero viene localizzato il comune di interesse.

(Modificato da Valentini et al., 2019).

In Fig. 3 si nota che Cortino ha risentito delle due sequenze de L’Aquila 2009 e del centro Italia 2016-17, anche con la presenza di epicentri di repliche localizzati proprio nell’area.

Per eseguire le analisi di RSL è stato necessario ricostruire un modello numerico del sottosuolo (Fig. 4) a partire dalle indagini geofisiche effettuate nell’abitato di Casanova e dal modello geologico tecnico.

Figura 4 - Modello numerico di Casanova con indicazioni delle litologie presenti nella sezione.

I tre parametri di controllo che definiscono la pericolosità sismica di base del sito di Casanova sono stati individuati mediante un applicativo Spettri NTC (Fig. 5).

Nell’analisi n°1 sono stati selezionati 7 accelerogrammi naturali mediante Rexelite; nell’analisi n°2 e n°3 sono stati adoperati gli accelerogrammi sintetici, simulando i tre eventi con magnitudo momento più elevata della sequenza sismica del centro Italia 2016-17 per il sito di Casanova.

Figura 5 - Step necessari per le analisi di RSL. Sono mostrati i valori dello spettro di normativa e le tre tipologie di analisi effettuate mediante tre diversi gruppi di accelerogrammi.

Dai risultati emersi dalle tre analisi di risposta sismica locale bidimensionale effettuate in questo lavoro di tesi, si evince quanto segue. Considerando lo stesso spettro di progetto e modello numerico, con gli input sintetici si conseguono risultati simili a quelli ottenuti mediante gli input naturali. Emerge quindi che l’impiego di accelerogrammi sintetici costituisce una valida alternativa all’approccio classico della selezione di accelerogrammi naturali.

Dal confronto tra i fattori di amplificazione delle varie analisi, si evince che nell’analisi n°2 (Mala 11), seppur confrontabili, i valori sono sottostimati rispetto all’analisi effettuata con gli input naturali di REXELite. I fattori di amplificazioni elaborati con l’analisi n°3 (Pacor 16) mostrano dei valori ottimi, presentando uno scarto in eccesso molto basso rispetto alla prima analisi. In generale, l’andamento dei profili dei fattori di amplificazione è simile per tutte le elaborazioni di RSL (Fig.6). Le funzioni di amplificazioni ottenute confermano ulteriormente quanto affermato in precedenza.

Figura 6 - Confronto dei fattori di amplificazione per le tre analisi di RSL.

5. Conclusioni

Nell’ambito dello studio di risposta sismica locale condotto nel comune di Cortino (TE) nella frazione di Casanova, si è voluto investigare l’influenza della scelta della tipologia di input sismico sui fattori di amplificazione, sulle funzioni di amplificazione e sui segnali spettrali propagati dai depositi superficiali.

Nella simulazione dei sismogrammi sintetici, il problema principale è la calibrazione dei parametri di ingresso necessari a descrivere il modello. Generalmente, i termini di propagazione e di sito in una data regione possono essere disponibili da studi indipendenti, mentre i parametri utilizzati per rappresentare la sorgente sismica sono strettamente legati all’evento da riprodurre. È chiaro che, per zone con una buona caratterizzazione sismotettonica e per eventi ampiamente studiati e documentati, gli accelerogrammi sintetici ben rappresentano quelli registrati.

In virtù dei risultati ottenuti, si evince che le analisi di risposta sismica locale effettuate mediante una scelta di input sintetici sono ragionevoli in termini di output. Nei due studi realizzati mediante accelerogrammi sintetici, è possibile affermare che i parametri di input di propagazione proposti da Pacor et al. (2016) risultano migliori. I fattori e le funzioni di amplificazione, oltre a presentare dei valori in maggior misura confrontabili con quelli ottenuti dalle analisi con gli input naturali (in termini di accelerazione ed amplificazione), hanno un lieve scarto in eccesso e quindi sono a vantaggio della sicurezza.

Uno degli obiettivi principali di questo lavoro di tesi è stato quello di indagare le modifiche che subiscono i segnali sismici nelle vicinanze dall’epicentro, comprendendo l’utilità delle simulazioni dei terremoti e suggerendo un loro maggior impiego in queste analisi. Uno dei vantaggi delle simulazioni è proprio quello di poter generare degli accelerogrammi anche nei siti dove non sono presenti le stazioni accelerometriche, come nel caso di Casanova. In zona epicentrale è fondamentale capire le caratteristiche peculiari del movimento sismico, per mitigare il rischio sismico e per fornire agli ingegneri i parametri più accurati per le costruzioni. La sperimentazione sugli accelerogrammi sintetici può quindi avere una consistente rilevanza sia nel campo edile, che per futuri studi di ricerca a carattere sismologico.

Infatti, per la valutazione degli effetti di sito mediante gli studi di risposta sismica locale è necessario predisporre un insieme di accelerogrammi su suolo rigido. Data la ridotta distribuzione in Italia delle stazioni accelerometriche, gli accelerogrammi sintetici possono essere una risorsa in ambito progettuale soprattutto per le aree geologicamente ben caratterizzate: è il caso del centro Italia, per il quale si dispone oggi di tutte le informazioni necessarie per le simulazioni e dove, dunque, l’impiego di accelerogrammi potrebbe essere una risorsa per una ricostruzione più attenta e sicura.

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