Substrato geologico e bedrock sismico. Luca Martelli

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1 con il patrocinio di TERRENO E TERREMOTO: GEOLOGIA, GEOTECNICA ED EFFETTI DI SITO Seminario per geologi, lunedì 5/11/2018 Regione Emilia-Romagna, Terza Torre, Sala 20 maggio 2012 Terremoto: dalla conoscenza del fenomeno alla riduzione del rischio Substrato geologico e bedrock sismico Definizione del modello geologico per le analisi di pericolosità sismica locale in successioni detritiche potenti Luca Martelli

2 effetti locali: alcuni depositi (es. sedimenti recenti poco consolidati) e particolari forme del territorio (creste, cocuzzoli, ) possono modificare l ampiezza, la frequenza e la durata del moto sismico in superficie; si possono così avere effetti temporanei, che cessano quando cessa il terremoto (es. amplificazione del moto sismico), e modifiche permanenti del paesaggio (cedimenti, frane, rotture del terreno, )

3 NTC2018 Per le classi B, C e D non è definita la profondità bedrock. Questione: a parità di classe di sottosuolo e a g, la RSL è uguale se il bedrock è a profondità di m, 100 m o oltre 300 m? Secondo l approccio semplificato si

4 Spettri da RSL per terreni classe C, T R = 475 anni. a g =0,146g, bedrock a 350 m da p.c. segnali di input RER x MS a g =0,145g bedrock a 117 m da p.c.

5 Spettri da RSL per terreni classe C, T R = 475 anni a g =0,146g bedrock a 350 m da p.c. RSL significativamente diverse per diverse profondità del bedrock, a parità delle altre condizioni (a g simile, classe sottosuolo C) segnali di input NTC08 a g =0,145g bedrock a 117 m da p.c.

6 massima amplificazione, secondo le NTC (prevalenza di terreni di classe D, talora C) (prevalenza di terreni di classe C, talora D) (terreni di classe C, talora E in Appennino) (prevalenza di terreni di classe B, talora C/E) (prevalenza di terreni di classe A, talora B)

7 bedrock sismico affiorante profondità bedrock sismico < 50 m profondità bedrock sismico = m profondità bedrock sismico = 100 ± 20 m profondità bedrock sismico = m profondità bedrock sismico >300 m

8 suolo categoria D bedrock a 350 m da p.c. Confronto tra gli spettri di risposta elastici in accelerazione (componente orizzontale) secondo l approccio semplificato NTC08 e lo spettro medio ottenuto da di risposta sismica locale per un area della pianura romagnola suolo categoria D e bedrock profondo (350 m), per T R = 475 anni.

9 Per una corretta valutazione del moto atteso, in superficie o alla base delle fondazioni, è necessario stimare, oltre alle proprietà meccaniche dei terreni, lo spessore dei terreni che amplificano, ovvero definire la profondità del tetto del bedrock sismico Domanda chiave: cos è il bedrock sismico? Le definizioni terreni che amplificano e bedrock sismico possono variare a seconda del contesto ambientale e geodinamico (es.: costiero, grande bacino/pianura alluvionale, montuoso/intravallivo, vulcanico, metamorfico, ) Le definizioni che seguono fanno riferimento al contesto appenninico-padano

10 Copertura: successione litostratigrafica costituita da rocce alterate e/o sedimenti sciolti o poco addensati, quali detriti di versante non cementati, alluvioni recenti (es. < 1 M.a.), ; generalmente questi terreni sono caratterizzati da bassi valori di Vs (< 400 m/s). Substrato geologico: successione litostratigrafica generalmente costituita da rocce compatte (diagenizzate/consolidate) non alterate/fratturate, che costituisce la base dei terreni di copertura; può essere affiorante o subaffiorante (spessore di copertura < 3 m). Nel contesto appenninico-padano il substrato geologico è costituito da sedimenti marini consolidati o sedimenti continentali antichi consolidati/cementati

11 Bedrock sismico: successione litostratigrafica caratterizzata da comportamento rigido, ovvero da valori di Vs significativamente maggiori di quelli delle coperture localmente presenti. Nella letteratura tecnica e scientifica internazionale il bedrock sismico è generalmente considerato la roccia caratterizzata da Vs>800 m/s. Tuttavia, il substrato può manifestare comportamento da bedrock sismico anche in caso di Vs<800 m/s purché il contrasto di impedenza sismica tra substrato e copertura sia significativo (>2)

12 s u b s t r a t o accumulo di frana z [m] z [m] Terreno vegetale Limo argilloso alternato a limo sabbioso Limo con sabbia suolo 0 5 Vs, Vp [m/s] Vs Vp Limo debolmente sabbioso Limo debolmente argilloso debolmente sabbioso Limo debolmente sabbioso Limo debolmente argilloso sabbioso Limo sabbioso debolmente argilloso Limo sabbioso Marne di Marna marrone Montepiano Marna grigia grigie Marna Marne grigia di fratturata Montepiano Marna grigia varicolorate compatta f=3,5 4 Hz

13 Terreni che possono determinare amplificazione nel range di periodi 0,1s<T<3s (spessori indicativamente non inferiori a 3 m, fino a m): depositi di versante (accumuli di frana, detriti di falda, detriti eluvio-colluviali, detriti di versante s.l., depositi morenici, depositi da geliflusso, ); depositi di conoide alluvionale; depositi alluvionali; depositi fluvio-lacustri; riporti antropici poco addensati; substrato affiorante alterato o intensamente fratturato; substrato non rigido (Vs<<800 m/s) affiorante.

14 Per l individuazione e la stima della profondità dell interfaccia copertura/substrato sono di grande utilità le carte geologiche, in particolare se corredate di sezioni fino a profondità adeguate, e gli studi di microzonazione sismica. Particolarmente utile lo studio Riserve idriche sotterranee della Regione Emilia-Romagna (RER- ENI, 1998) In Emilia-Romagna anche le scelte progettuali, oltre a quelle urbanistiche, devono essere compatibili con gli esiti della microzonazione sismica (se disponibile), come disposto dalla LR 19/2008 Norme per la riduzione del rischio sismico e relative delibere attuative (es. DGR 1373/2011) Gli studi di microzonazione sismica dell Emilia-Romagna adeguati agli standard regionali e DPC sono disponibili pubblicamente nel sito web

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18 Comuni con studi ms adeguati agli standard RER e DPC

19 Esempi di profili di sottosuolo dell Appennino con profili di Vs (da DH/CH, MASW/ReMi)

20 Formazione Marnoso-Arenacea F o r m a z i o n e a C o l o m b a c c i Depth (m) Terrazzo aluvionale Vs (km/s) Galeata 0 5 Vs (m/s) 0 m/s Vs Rocca di Cesena

21 Marnoso-Arenacea z [m] z [m] f r a n a Spinello, S. Sofia Ghiaia media con sabbia Limo argilloso marrone Arenaria Limo argilloso grigio C m 4.6 m 5.3 m m 6.4 m Vs, Vp [m/s] Vs Vp Argila limosa grigia Marna mediamente cementata molto fratturata m 14 m Marna mediamente cementata fratturata Fiumana, Predappio Fiumana, Predappio

22 S. Sofia (Appennino romagnolo) alluvioni Marnoso-arenacea frana

23 Nel settore appenninico il bedrock sismico di solito è facilmente individuabile e spesso coincide con il substrato geologico, ad eccezione delle zone dove il substrato è alterato o intensamente fratturato o dove è costituito da argille e marne (es. Argille Azzurre)

24 Esempi di profili di sottosuolo di pianura con profili di Vs (da DH/CH, MASW/ReMi, ESAC/SPAC)

25 z [m] z [m] Parma (PR sud) Zona pedemontana, conoidi alluvionali Enza Secchia (MO sud) Lamone, Faenza sud Limo sabbioso Sabbia limosa e sabbia molto fine Limo sabbioso Sabbia molto fine e limo argilloso Ghiaia media Vs, Vp [m/s] Vs Vp Marecchia Argilla limosa Ghiaia media Ghiaia media e sabbia grossa Ghiaia media Limo sabbioso e ghiaia media Limo argilloso e sabbia fine e molto 50 50

26 substrato geologico P> 200 m da p.c. Forlì scuola Rodari AES8

27 Sond. 1 Sond. 3 Parma cassa d espansione

28 Misano Adriatico, costa costa romagnola sud

29 CH Viserba (Rimini) 0,8 2,5-3 AES8 AES7 AES6 AEI m da p.c.

30 Nella fascia pedemontana (alta pianura, costa meridionale), dove sono frequenti i depositi grossolani di conoide, il bedrock sismico è talora difficilmente individuabile. Spesso il tetto degli orizzonti ghiaiosi pleistocenici costituisce una superficie di contrasto di velocità importante. Non di rado le ghiaie hanno Vs maggiore di quella del substrato geologico (Qm e Argille Azzurre), talora anche 800 m/s

31 Bassa pianura argine Po, Boretto AES8 AES7 Vs>600 m/s AES6 possibile bedrock Substrato marino a 600 m da p.c.

32 0,2 0,8 A0/AES8 (Olocene) A1/AES7 Pleistocene sup. AES7 A2/AES6 A3 A4 Pleistocene medio B/AEI substrato marino a oltre m da p.c.

33 zona ferrarese ovest AES Vs=900 m/s Vs=1200 m/s Miocene sup. Bondeno Francolino Ravalle 0,3 0,8 0,35 0,85 0,9

34 da Castellaro et al., 2005 da Picozzi e Albarello, 2007

35 AES AEI Pliocene Qm

36 array Berra sismica passiva delta Po array Codigoro array Casalborsetti array Comacchio

37 da Mascandola et al., GNGTS 2017

38 da Mascandola et al., GNGTS 2017

39 da Mascandola et al., GNGTS 2017

40 In pianura il bedrock sismico è facilmente individuabile nelle zone di alto strutturale, dove coincide con il substrato geologico. Dove lo spessore dei sedimenti alluvionali/costieri è indicativamente maggiore di 130 m il bedrock sismico è talora difficilmente individuabile. Nella successione continentale è presente una superficie di contrasto di velocità importante, generalmente alla base di AES o in AES (AES6). Dove lo spessore dei sedimenti alluvionali/costieri supera i 250 m il bedrock sismico è difficilmente individuabile. Base di AES?

41 NTC2008 NTC2018 N.B.: tutti i terreni possono essere ricondotti alle classi dell approccio semplificato

42 Nell attuale versione delle NTC, con l eliminazione dell aggettivo graduale viene completamente ignorato il criterio del contrasto di impedenza e si ammette che il miglioramento possa anche non essere graduale. Nella precedente versione la RSL di terreni di copertura con contrasti di impedenza nei primi 30 m (che non rientravano nelle classi B, C e D) poteva essere correttamente valutata con specifiche analisi RSL (o al limite ricondotta allo spettro della classe E). La versione attuale comporta importanti conseguenze. Le attuali classi B, C e D, nonostante ognuna sia associata ad un unico spettro elastico di riferimento, possono comprendere tipologie e modelli sismostratigrafici anche significativamente differenti tra loro ed in grado di produrre in superficie risposte sismiche ben diverse. In sintesi, il parametro Vs,eq da solo non è sufficiente a discernere tutte le casistiche di tipologia di sottosuolo. Poiché oggi tutti i terreni possono essere ricondotti alle classi A-E, è sempre possibile stimare l azione sismica con l approccio semplificato. Ciò può portare ad un peggioramento della qualità della stima dell azione sismica per la progettazione.

43 Grazie per l attenzione luca.martelli@regione.emilia-romagna.it

44 Esempio di una registrazione della stazione accelerometrica OGS-RER di Mirandola Registrazione in superficie Registrazione a 30 m da p.c. Registrazione a 126 m da p.c Profilo Vs Vs (m/s) L A S Sg A Sg S A Sg L SC P L = alternanza di limi, argille e sabbie fini S = prevalenti sabbie fini e medie A = argille prevalenti Sg = prevalenti sabbie medie e grossolane SC = alternanza di limi e sabbie con ciottoli alpini P = alternanza di limi e sabbie con bioclasti marini 135 substrato pliocenico