RAPPORTI SPETTRALI H/V DI RUMORE SISMICO AMBIENTALE NEL COMUNE DI CATANIA

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1 E. Priolo, A. Michelini e G. Laurenzano Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale OGS, Trieste RAPPORTI SPETTRALI H/V DI RUMORE SISMICO AMBIENTALE NEL COMUNE DI CATANIA Riassunto. Sono illustrati i risultati di una campagna di acquisizione di rumore sismico ambientale effettuata nell area comunale di Catania con lo scopo di stimare la risposta sismica locale. L approccio usato nell interpretazione dei dati è quello comunemente chiamato di Nakamura. Le misure sono state eseguite da due gruppi dotati di diversa strumentazione. Misurazioni simultanee sono state effettuate presso otto siti. Più della metà dei siti non ha evidenziato alcuna amplificazione della risposta sismica. In generale, ciò si è verificato per i punti di misurazione posizionati direttamente su lava, o quelli caratterizzati dalla presenza di formazioni sedimentarie omogenee e spesse. I siti che hanno evidenziato amplificazione sono quelli localizzati su suoli o riporti sopra una base di lava, o sul terreno alluvionale fine della Piana di Catania. Alcuni siti hanno evidenziato una amplificazione piuttosto anomala in un intervallo di frequenze molto basse (0.2-1 Hz), seppure nella maggior parte dei casi con valori di pseudo amplificazione bassi. SPECTRAL RATIOS H/V FROM ENVIRONMENTAL SEISMIC NOISE IN THE CATANIA MUNICIPAL AREA Abstract. A survey of environmental seismic noise (microtremors) was carried out within the Catania municipal area in May The aim of the data acquisition was to improve our prediction of the seismic ground motion locally. To this end, we followed Nakamura s approach. The data were acquired by two teams indipendently, and using different instrumentation. Synchronous measurements were performed at six locations. We have found that more than one half of the sites exhibits irrelevant or weak amplification. These sites are located either on lava or well-consolidated, homogeneous and thick sedimentary soils. The only sites which bear evidence of some amplification are located on either fillings soils lying over lava, or on the fine alluvial deposits of the Catania Plain. Some sites have shown an anomalous amplification in the low frequency band Hz, though with low pseudo-amplification values. INTRODUZIONE Almeno tre grandi terremoti hanno colpito la Sicilia Orientale nell ultimo millennio (1169 e 1693 a Catania, e 1908 a Messina). Al giorno d oggi l intera regione è densamente popolata ed ospita alcune città di notevoli dimensioni e zone altamente industrializzate. L area di Catania è concordemente ritenuta come una delle aree a maggior rischio, poiché, risalendo l ultimo terremoto distruttivo a circa trecento anni fà, solo pochi edifici sono stati costruiti secondo criteri antisismici. Sono dunque opportuni quegli studi preventivi che possono migliorare la stima dell amplificazione locale del moto del suolo. La campagna di acquisizione di rumore sismico ambientale (microtremori) è stata pianificata con lo scopo di migliorare la definizione delle caratteristiche principali di risposta locale nell area comunale di Catania. L acquisizione è stata effettuata nel maggio L approccio usato nell intepretazione dei dati è quello comunemente denominato di Nakamura (Nakamura, 1989). Questo metodo, ormai comunemente usato per stimare rapidamente le caratteristiche di amplificazione locale del moto del suolo, consiste nel calcolo dei rapporti spettrali tra le componenti orizzontale (H) e

2 verticale (V) del rumore sismico. In situazioni geo-morfologiche non eccessivamente complesse, questa tecnica permette di individuare le caratteristiche fondamentali della risposta dinamica del sito (Field et al., 1995; Field and Jacob, 1995). ACQUISIZIONE DATI Lo studio si basa sulle misure acquisite in circa quaranta siti, scelti in base ai seguenti criteri: 1) rilevanza dal punto di vista geologico, geotecnico e della risposta sismica locale ipotizzata; 2) presenza di un cambiamento litologico importante ai fini della risposta sismica (tipicamente, passaggio tra lave e terreni sedimentari); 3) presenza di altre misure geotecniche o geofisiche; 4) allineamento con i transetti lungo cui sono state effettuate simulazioni numeriche del moto del suolo (Priolo, 1999). Sono state evitate, ove possibile, situazioni in cui la risposta di sito potesse essere influenzata da agenti esterni, quali ad esempio pavimentazioni in asfalto o posizioni direttamente adiacenti ad edifici. In alcuni siti sono state effettuate misure in più punti, ad esempio in prossimità del contatto di litologie differenti o a fini di verifica strumentale. Le acquisizioni (Priolo and Michelini, 2000; Priolo et al., 2000) sono state effettuate da due diversi gruppi (il gruppo dell O.G.S. ed il gruppo dell Università della Basilicata, di seguito rispettivamente indicati con A e B) dotati di differenti strumenti acquisitori, ma utilizzando lo stesso tipo di sensore (Lennartz LE-3D/1s). Misurazioni simultanee sono state effettuate presso otto siti, a scopo di controllo incrociato. I due gruppi hanno adottato diverse metodologie di acquisizione e di elaborazione dei dati. Ad esempio, per il gruppo A, ogni misurazione consiste in un acquisizione continua per un intervallo di tempo medio di 30 minuti, con campionamento a 100 Hz. Il gruppo B, invece, ha acquisito per un tempo più breve (max. 8 minuti) e ha sezionato l output in cinque files non necessariamente concatenati contenenti un minuto di registrazione ciascuno. Il livello di rumore è stato sufficientemente elevato in tutti i siti. La Fig. 1 rappresenta la mappa dei siti interessati dalle misure. Sullo sfondo è rappresentata la mappa semplificata delle unità geotecniche (Faccioli, 1997), che suddivide a grandi linee l area comunale in tre zone: nella porzione settentrionale dominano i prodotti effusivi provenienti dall Etna, più a sud la zona dei quartieri ad ovest del centro è caratterizzata dalla presenza di formazioni sedimentarie consolidate, ed infine ancora più a sud si estende la Piana di Catania, una pianura caratterizzata da depositi alluvionali recenti e da depositi costieri vicino alla costa. DISCUSSIONE Le risposte stimate in base ai rapporti H/V, relative alla banda di frequenze d interesse ingegneristico (1-20 Hz), sono visualizzate in Fig. 2. Sono indicate sia le frequenze che i valori di pseudo-amplificazione (rispettivamente, colore e diametro del cerchietto). Sullo sfondo della stessa figura sono visualizzate la mappa geotecnica semplificata e le isobate del tetto delle argille azzurre, considerate come possibile bedrock sismico.

3 Fig. 1 - Mappa dell area comunale di Catania interessata dalle misure di rumore sismico ambientale. In rosso e verde sono indicate le misure eseguite rispettivamente dai gruppi A e B. Sullo sfondo è indicata la mappa semplificata delle unità geotecniche. In generale, in più della metà dei siti la risposta sismica è risultata praticamente piatta. Ciò si è verificato, in particolare, nei punti di misurazione posizionati direttamente su lava (ad esempio, molti dei siti nel centro di Catania e verso l area settentrionale del Comune) o quelli caratterizzati dalla presenza di formazioni sedimentarie omogenee e ben consolidate (come la formazione delle Terreforti, costituita da sabbie e conglomerati, che caratterizza l area occidentale di forte sviluppo edilizio). Questo risultato avvalorerebbe l idea che tali formazioni sedimentarie si estendano in profondità in modo piuttosto omogeneo. I siti caratterizzati dalla presenza di suoli e riporti sopra una base di lava hanno invece evidenziato moderata amplificazione a frequenze medio-alte (5-15 Hz). Tra le misurazioni effettuate nella Piana, solo alcune cioè i siti nella zona industriale a Sud dell Aeroporto hanno manifestato la presenza di amplificazione. In questi casi, la frequenza propria è molto più bassa (1-2 Hz).

4 Fig. 2 - Pseudo-amplificazioni stimate nel range 1-20 Hz. Il colore ed il diametro dei cerchietti indicano rispettivamente la frequenza di picco e l ampiezza del rapporto H/V. I circoli blu indicano i siti dove la pseudo-amplificazione è stata molto bassa (< 2) o a risposta piatta. Il fondo della figura rappresenta la mappa geotecnica semplificata (Faccioli, 1997). Le linee di contorno indicano la profondità del tetto delle argille azzurre, che è stato assunto come possibile bedrock sismico. La Fig. 3 mostra alcuni esempi di rapporti spettrali H/V relativi a siti della zona Nord dell area comunale le cui risposte evidenziano amplificazione. In basso sono rappresentate le densità spettrali calcolate per le due componenti, orizzontale e verticale, e in alto i relativi rapporti spettrali. Il sito A6 che mostra un amplificazione piuttosto alta, è localizzato al di sopra di un terrapieno ferroviario di uno spessore di circa 15 metri. La frequenza fondamentale di circa 5.5 Hz è in buon accordo con la velocità delle onde di taglio di circa 250 m/s per il materiale di riporto. La misura eseguita nel sito 7 in località Borgo, caratterizzato da uno spessore più sottile di

5 materiale di riporto, mostra invece un valore di pseudo amplificazione meno elevato (minore di 3) per una frequenza fondamentale di circa 8 Hz. A6 - Guardia Riporti su lava A7 - Borgo Riporti su lava Fig. 3 - HVSR calcolati in due siti che hanno evidenziato amplificazione nella risposta. Per ognuno dei siti sono rappresentati (in alto) ii rapporti H/V più/meno la deviazione standard e (in basso) le densità spettrali calcolate per la componente orizzontale (linea blu, continua) e verticale (linea verde, tratteggiata). Va segnalato un aspetto alquanto anomalo che caratterizza i rapporti H/V misurati nell area di Catania, ovvero la presenza di amplificazione a frequenze molto basse (0.2-1 Hz) (Fig. 4). Le motivazioni di questa amplificazione anomala sono ancora ignote. Tra le varie ipotesi possibili sono già stati analizzati ed esclusi effetti legati al funzionamento della strumentazione ed al vento. Si stanno ancora valutando altre ipotesi, come l effetto delle onde del mare, della struttura geologica (ad esempio, la presenza di un forte contrasto d impedenza alla profondità di circa 500 metri), o di un non perfetto accoppiamento del sensore con il terreno. Tuttavia nella maggior parte dei casi i valori di pseudo-amplificazione in questo range di frequenze sono minori di 2.

6 Fig. 4 - Pseudo-amplificazioni stimate nel range Hz. Altri dettagli come in Fig. 2. In alcuni siti sono state eseguite delle misure simultanee da parte dei 2 gruppi, al fine di valutare l effetto prodotto dall utilizzo di diversa strumentazione, di diverse modalità di acquisizione e di elaborazione dei dati. In Fig. 5 vengono comparati i rapporti H/V calcolati indipendentemente dai due gruppi dalle proprie misurazioni, con i rapporti H/V calcolati dal gruppo A sulle misure eseguite dal gruppo B. Ciò ha permesso di testare sia la qualità delle misure che del processing. In generale per la banda di frequenze di maggior interesse ingegneristico è stato riscontrato un ottimo accordo. Le differenze riscontrate in alcuni casi sono probabilmente riconducibili alle diverse modalità di acquisizione delle misure e più precisamente, al diverso accoppiamento del sensore col suolo. Ad esempio, per il sito A/B4.7 le misure sono state acquisite dai due gruppi a circa 10 metri di distanza l una dall altra, ma mentre il gruppo A ha posizionato il sensore in un buco scavata nel terreno, il secondo gruppo ha acquisito la misura sopra una piattaforma in cemento.

7 Fig. 5 - Comparazione dei rapporti spettrali H/V stimati da dati acquisiti indipendentemente e simultaneamente dai 2 gruppi A e B, nei siti A/B27 (in alto) e A/B4.7 (in basso). La Fig. 6 mostra i rapporti spettrali ottenuti dalle misure di rumore effettuate in prossimità della stazione accelerometrica ENEA ENEL di Catania. Ambedue i siti (A15.1 e A15.2 in Fig. 1) si trovano su alluvioni e la risposta sismica è molto simile, evidenziando una frequenza fondamentale di circa 1.4 Hz. Possiamo notare come un forte segnale monocromatico a 4 Hz proveniente da una vicina fabbrica distante circa 400 metri dal sito 15.1 non alteri il rapporto spettrale H/V. In Fig. 7, infine, sono confrontati i rapporti spettrali misurati sperimentalmente e calcolati numericamente presso il sito della stazione accelerometrica ENEA-ENEL di Catania. In particolare, nel pannello di sinistra è confrontato il rapporto H/V ottenuto dalla registrazione effettuata dall accelerometro SMA-1 del terremoto della Sicilia Orientale del 13 dicembre 1990 con quello calcolato numericamente dalle simulazioni con il metodo agli elementi spettrali 2-D (Priolo, 1999) del medesimo terremoto. Nel pannello di destra, invece, sono messi a confronto gli H/V ottenuti rispettivamente dalla coda del sismogramma registrato in occasione del medesimo terremoto e dalle registrazioni di rumore sismico. I rapporti stimati dal rumore sismico individuano bene solo il modo fondamentale di vibrazione a circa Hz, mentre mancano il picco a frequenza più alta (4-5 Hz). Questo fatto può essere interpretato come una conferma che il metodo di Nakamura può identificare solamente il modo di vibrazione fondamentale, ma anche che il picco a 4-5 Hz risultante dalla coda del sismogramma è un aspetto pertinente alla sorgente sismica e/o al cammino di propagazione del campo attraverso la struttura geologica. Gli H/V stimati dai sismogrammi sintetici sono generalmente più instabili. Tuttavia, essi riproducono

8 bene l andamento di quelli calcolati dalla registrazione completa del terremoto per frequenze maggiori di 1 Hz, e confermano l interpretazione appena data. A metri a N Alluvioni fini A metri a S Alluvioni fini Fig. 6 - Rapporti spettrali H/V calcolati per due siti localizzati nei pressi della stazione accelerometrica ENEA-ENEL di Catania. CONCLUSIONI Le misurazioni di rumore sismico (microtremori) effettuate in circa quaranta siti dell area comunale, hanno evidenziato amplificazioni del moto del suolo solo presso pochi siti. In più della metà dei siti la risposta sismica è praticamente piatta. I risultati delle stime di risposta sismica basate sul metodo di Nakamura confermano a grandi linee la ripartizione dell area comunale in tre zone, così come delineata dalla mappa geotecnica semplificata. Ovvero: 1) l area settentrionale, caratterizzata da una copertura massiccia di colate laviche; 2) l area ad ovest del centro caratterizzata dalla presenza di formazioni sedimentarie (conglomerati, sabbie e ghiaie);

9 3) l area della Piana, caratterizzata da depositi alluvionali fini costituiti da sabbie ed argille. Nella prima area, si riscontra una moderata amplificazione nella banda di frequenze medio-alte (5-15 Hz) solo là dove suoli e riporti ricoprono la base lavica. Tuttavia, la complessità geologica dell area rende difficoltosa un interpretazione univoca dei risultati. Ad esempio, nelle zone circoscritte caratterizzate dall emergenza di formazioni sedimentarie (cioè, l area della Cittadella Universitaria, o all interno del quartiere di S. Sofia/Cibali, o ancora l area del Parco di Villa Bellini) non si riscontra alcuna amplificazione degna di nota. Nella seconda area, la risposta è sempre piatta. Questo risultato, seppure sorprendente, potrebbe avvalorare l ipotesi che le formazioni sedimentarie di quell area si estendano in profondità in modo piuttosto omogeneo. Tra le misurazioni effettuate nella Piana, solo alcune cioè i siti nella zona industriale a sud dell Aeroporto hanno manifestato la presenza di amplificazione. In questi casi, la frequenza propria è molto più bassa (1-2 Hz). Fig. 7 - Rapporti spettrali H/V calcolati per la stazione accelerometrica ENEA-ENEL di Catania. Curve verdi: rapporto calcolato dalla registrazione del terremoto della Sicilia Orientale del 13 dicembre 1990 (a sinistra è stata usata la registrazione completa, mentre a destra solo la coda da 20 a 45 s). Pannello di sinistra, curva blu: rapporto calcolato dalla simulazione ad elementi spettrali 2D del medesimo evento. Pannello di destra, curva rossa: rapporti ottenuti dalle misurazioni di rumore sismico. In alcuni siti è stato inoltre riscontrato un fenomeno le cui cause non sono ancora chiare, cioè la presenza di amplificazione a frequenze bassissime ( Hz). Infine, una prima analisi comparata effettuata presso il sito della stazione accelerometrica ENEA-ENEL di Catania ha dimostrato un ottimo accordo tra i rapporti H/V calcolati rispettivamente da registrazioni di rumore sismico, registrazione di un terremoto e sismogrammi sintetici, e che le stime dedotte da misure di rumore ambientale permettono di individuare bene solo le caratteristiche fondamentali di vibrazione del suolo. BIBLIOGRAFIA Faccioli, E.; Geotechnical earthquake engineering characterisation of the Catania municipal area. Technical Report and CD-Rom prepared by Ingegneria Geotecnica for CNR-Gruppo Nazionale Difesa Terremoti, Milan, Italy (in Italian), 33 pp. + encl. Field, E. H., Clement, A. C., Jacob, K. H., Aharonian, V., Hough, S. E., Friberg, P. A., Babaian, T. O., Karapetian, S. S., Hovanessian, S. M, Abramian, H. A.; Earthquake site-response study in

10 Giumri (Formerly Lekinakan) Armenia using Ambient noise observations, Bull. Seis. Soc. Am., 85(1), Field, E. H., and Jacob, K. H.; A comparison and test of various site-response estimation techniques including three that are not reference-site dependent, Bull. Seis. Soc. Am., 85(4), Nakamura, Y.; A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremor on the ground surface. QR Railway Tech. Res. Inst., 30, 1. Priolo, E.; D spectral element simulations of destructive ground shaking in Catania (Italy). J. Seismology Vol. 3, Priolo, E., and Michelini, A.; Measurements of environmental seismic noise for site response prediction. In: Faccioli, E., and Pessina, V., Eds.: The Catania Project: Earthquake damage scenarios for a high risk area in the Mediterranian, CNR-GNDT, Roma, 225 pp., Priolo, E., Michelini, A., Laurenzano, G., Addìa, R. and A. Puglia.; Seismic response from microtremors in Catania (Sicily, Italy). Submitted to Boll. Geofis. Teor. Appl. Special Issue on: Site Response estimation from Observed Ground Motion Data.