Convenzione INGV-DPC

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1 Convenzione INGV-DPC Progetti sismologici Progetto S_2 Constraining OBservations into Seismic hazard (COBAS) Unità di Ricerca RU7, INGVMI Titolo Aggiornamento delle equazioni predittive del moto del suolo in Italia 1. Responsabile UR 7 INGVMI Francesca Pacor sismologa, dal 2003 è primo ricercatore presso l Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, (INGV), sezione-milano-pavia, attualmente coordinatore all interno della sezione dell unità di Progetto effetti di sito. Francesca Pacor, nata in Olanda (2 Ottobre 1963), si è laureta in fisica nel Dal 1990 al 2000 è stata impiegata come sismologa presso l ISMES, società del gruppo ENEL. Durante questo periodo, ha partecipato a diversi progetti italiani ed europei, contribuendo allo sviluppo di metodi per il calcolo deterministico di scenari di scuotimento sismico da utilizzare per applicazioni ingegneristiche. Ha anche collaborato alla definizione dell input sismico per strutture strategiche quali centrali nucleari (Novovoronezh NPP Seismic Hazard Estimate (Project TACIS), Chernobyl NPP Seismic Hazard Estimate (Project TACIS)). Nel 2001 ha iniziato a lavorare presso l INGV come ricercatore, concentrando le sue ricerche sullo sviluppo di tecniche di simulazione di una faglia estesa per la generazione di sismogrammi sintetici in un ampia banda di frequenze. Ha inoltre condotto studi sull attenuazione delle onde sismiche, utilizzando dataset di registrazioni in diverse regioni italiane.ha partecipato a diversi progetti Italiani ed europei, portando Avanti le sue principali ricerche relative a: Sviluppo e applicazioni di metodi deterministiche per la stima dell hazard, simulazione di sismogrammi sintetici con tecniche a faglia finita, analisi di registrazioni accelerometriche per la calibrazione di equazioni predittive e modelli spettrali, archiviazione e distribuzione di dati accelerometrici. Nel 2005 ha coordinato il Progetto S3 Scenari di scuotimento in aree strategiche e/o prioritarie. Nel 2008, nell ambito della convenzione INGV-DPV ( ) è stata coordinatore del progetto S4 La banca dati accelerometrica italiana insieme a Roberto Paolucci del politecnico di Milano. Francesca Pacor è coautrice di 50 pubblicazioni su riviste internazionali peer-reviewed e il suo h-index è pari a pubblicazioni significative relative ai temi di ricerca del progetto 1) Pacor F, Paolucci R, Ameri G, Massa M and R Puglia (2011). Italian strong motion records in ITACA: overview and record processing, Bull. Earthquake Eng., 9, , DOI /s x 2) Bindi D, Luzi L, Pacor F and R Paolucc (2011). Identification of accelerometric stations in ITACA with distinctive features in their seismic response, Bull. Earth. Eng., 9, 6, , DOI: /s ) Bindi D, Pacor F, Luzi L, Puglia R, Massa M, Ameri G and R Paolucci (2011). Ground motion prediction equations derived from the Italian strong motion database, Bull. Earthquake Eng., 9, , DOI: /s z 4) Bindi D, Luzi L, Massa M, Pacor F (2010) Horizontal and vertical ground motion prediction equations derived from the Italian accelerometric archive (ITACA). Bull Earthq Eng 8: doi: /s

2 5) Ameri G, Massa M, Bindi D, D Alema E., Gorini A., Luzi L., Marzorati M., Pacor F., Paolucci R., Puglia R. and C. Smerzini (2009). The 6 April 2009, Mw 6.3, L Aquila (Central Italy) earthquake: strong-motion observations, Seism. Res. Lett., 80, n6, Personale dell'ur Nominativo (Cognome e Nome) Qualifica Ente/Istituzione Giorni/Persona (personale non a carico del progetto) I anno Francesca Pacor 1 ricercatore INGV 40 Lucia Luzi 1 ricercatore INGV 40 Paolo Augliera 1 ricercatore INGV 15 Vera Pessina ricercatore INGV 20 Gabriele Ameri ricercatore INGV 20 Marco Massa ricercatore INGV 30 Rodolfo Puglia tecnologo INGV 40 Gianlorenzo Franceschina ricercatore INGV 15 Dario sudati tecnico INGV 20 Sara Lovati tecnologo INGV 20 da definire assegnista INGV 280* TOTALE * 3. Descrizione del contributo 3a. Versione italiana L unità di ricerca INGV Milano-Pavia propone due linee di ricerca per il progetto S2, relative all analisi di dati strong motion e di intensità macrosismica, utilizzati come punto di riferimento per eseguire confronti quantitativi con i risultati delle l'analisi di hazard. La prima attività riguarda lo studio dei dati strong motion registrati in Italia fino al 2012, la seconda riguarda lo studio dell'effetto sito a partire da dati di intensità. 3a.1 Stato dell'arte Linea di ricerca 1 Le equazioni predittive per lo scuotimento sismico in Italia sono relativamente recenti (Bindi et al 2011 e Bindi et al 2010). La loro calibrazione è stata strettamente connessa allo sviluppo della banca dati accelerometrica italiana (ITACA, realizzata da INGV Milano - Pavia nell ambito delle ultime due convenzioni tra INGV-DPC. Allo stato attuale, i dati accelerometrici italiani disponibili e le equazioni predittive ad essi associate, si basano essenzialmente su terremoti crostali (profondità <30 km) di media e forte intensità, avvenuti principalmente nell Appennino centrale e meridionale. Ogni nuovo terremoto quasi sempre rivela caratteristiche del moto sismico che non sono state prese in considerazione nei modelli precedenti per la (ovvia) scarsità di osservazioni strumentali. Ad esempio, il terremoto de L'Aquila del 6 aprile 2009 (Mw 6,3) ha evidenziato come i siti posti su bacino alluvionale, in vicinanza della faglia sismogenetica, possano causare livelli 2

3 di scuotimento superiore alle attese, non del tutto interpretabili con gli approcci standard utilizzati per quantificare il moto del suolo durante un evento sismico. Più di recente l'esperienza dei terremoti della Pianura Padana, in particolare gli eventi profondi che si sono verificati il 25 e il 27 gennaio 2012 (Mw 4.9 e 5.0, rispettivamente), e i terremoti devastanti di maggio e giugno 2012 (rispettivamente Ml 5.9 e 5.8) hanno dimostrato come in aree a bassa attività sismica, sia necessario disporre di dati qualificati per sviluppare modelli affidabili per la stima del moto del suolo. In quest ultimo caso, gli elementi che dovrebbero essere presi in considerazione per la stima dello scuotimento sono: la presenza di sorgenti sismiche sia profonde che superficiali e gli effetti di un bacino sedimentario molto profondo. Nello specifico, i bacini sedimentari profondi influenzano pesantemente il campo d onda emesso alla sorgente (ad esempio, Kawase 1996;. Wald et al, 1998) e i corrispondenti spettri di risposta (per esempio, Campbell 1997;. Choi et al 2005), soprattutto ai lunghi periodi. Questo fenomeno è stato osservato nella Pianura Padana durante i recenti eventi del maggio 2012, in quanto le registrazioni sismiche sono caratterizzate da durate significative molto elevate e sono dominate da onde di superficie in bassa frequenza. Linea di ricerca 2 La valutazione della pericolosità sismica tiene conto dei forti terremoti storici, quantificati in termini di campi macrosismici. E ragionevole supporre che, così come lo scuotimento sismico, anche l intensità macrosismica possa essere modificata da effetti di sito, anche considerando la maggiore complessità della sua definizione. Su questo punto, in letteratura esistono opinioni contrastanti sul ruolo degli effetti locali e topografici nei valori delle intensità macrosismiche (Bossu et al, 2000; Faccioli et al, 2002). E' possibile e ragionevole per valutare quantitativamente il contributo dell'effetto di sito contenuta intensità macrosismica? Questa risposta può avere importanti implicazioni sia sulla revisione dei terremoti storici, ma anche per la conversione dei valori strumentali (PGA, PGV) in termini di intensità. In particolare, nell'ambito di questo progetto, le attività di validazione potranno beneficiare di tali considerazioni. 3a.2 Obiettivi La premessa precedente dimostra la necessità di studiare in dettaglio il moto sismico osservato in Italia, per fornire nuove conoscenze sui valori raggiunti e sulla sua variabilità, anche in aree caratterizzate da bassa sismicità. Questi studi possono fornire importanti vincoli per le valutazioni della pericolosità sismica, sia in termini di limiti superiori sia per individuare le condizioni in cui i valori massimi si sono verificati (Pacor et al., 2011). Questo obiettivo può essere raggiunto attraverso una revisione delle attuali equazioni empiriche per la stima dello scuotimento sismico (Ground Motion Prediction Equations, GMPEs), utilizzando registrazioni accelerometriche aggiornate e qualificate. In questo progetto, viene proposto di lavorare a diverse scale con l'obiettivo di migliorare le GMPEs, valide per il territorio nazionale ed alcune aree selezionate. Il punto di partenza è rappresentato dalle più recenti GMPEs italiane (ITA10, Bindi et al., 2011) sviluppate per accelerazione e velocità di picco, e per ordinate spettrali (con periodi fino a 2s), considerando le classi di suolo proposte dall EC8 ed utilizzando un insieme di dati strong motion registrati periodo Particolare attenzione sarà dedicata alla parametrizzazione dell'effetto sito delle GMPEs per tenere in conto l effetto dei sedimenti profondi. Parallelamente si preparerà uno stato dell arte sul contributo della risposta sismica locale nei dati macrosismici. 3a.3 Attività La line di ricerca 1 consiste di 6 attività, 4 delle quali sviluppate a scala nazionale e 2 nell area della Pianura Padana. 3

4 Le attività a scala nazionale prevedono: 1) aggiornamento delle equazioni predittive denominate ITA10 con i dati recentemente acquisiti (eventi della Pianura Padana, che hanno incrementato il numero di eventi con meccanismo compressivo con magnitudo M> 4.5 e di stazioni classificate come EC8 classe C e classe D); 2) valutazione di GMPEs per ulteriori parametri d scuotimento (intensità di Arias, intensità Housner, componenti verticali, spostamenti spettrali con ordinate spettrali fino a 10s); 3) adozione di differenti metriche per descrivere l attenuazione (distanza dalla rottura, distanza ipocentrale), al fine di ridurre l'incertezza epistemica nelle GMPEs 4) analisi della variabilità dello scuotimento, considerando i diversi termini che compongono la deviazione standard (termine di evento, termine di sito). Le attività a scala regionale prevedono: 5) calibrazione di GMPEs regionali, sia per gli eventi superficiali che profondi, utilizzando i dati di accelerometrici acquisiti nel Nord Italia, tra cui anche i dati dalla sequenza sismica del 2012 Modena - Ferrara. 6) introduzione di nuove variabili esplicative, volte a ridurre l'incertezza epistemica, nel caso di profondi bacini sedimentari. Linea di ricerca 2 Per quanto riguarda lo studio degli effetti di sito attraverso i dati di intensità macrosismica, si propone una sintesi bibliografica di studi in grado di quantificare gli effetti di sito a partire dai dati di intensità. 3a.4 Metodologia L elemento chiave dell elaborazione e dell aggiornamento delle GMPEs sarà costituito dal data set di registrazioni accelerometriche, processate uniformemente, e dalla banca dati accelerometrica, che conterrà i metadati associati agli eventi e alle stazioni, accuratamente verificati. Per le analisi sarà adottato uno schema di regressione basato sul modello denominato random effect model (Brillinger e Preisler 1985; Abrahamson e Young 1992), che verrà utilizzato per separare le diverse componenti della variabilità, associate agli eventi e alle stazioni di registrazione (between -event e between-site terms). Verrà infine utilizzato l'approccio proposto da Rodriguez-Marek et al. (2011) per stimare la variabilità del moto del suolo a singola stazione. 3a.5 Bibliografia Abrahamson NA, Youngs RR (1992) A stable algorithm for regression analyses using the random effects model. Bull Seismol Soc Am 82: Bindi D, Luzi L, Massa M, Pacor F (2010) Horizontal and vertical ground motion prediction equations derived from the Italian accelerometric archive (ITACA). Bull Earthq Eng 8: doi: /s Bindi D, Pacor F, Luzi L, Puglia R, Massa M, Ameri G and R Paolucci (2011). Ground motion prediction equations derived from the Italian strong motion database, Bull. Earthquake Eng., 9, , DOI: /s z Bossu R., Scotti O., Cotton F., Cushing M, Levret A. (2000). Determination of geomechanical site effects in France from macroseismic intensities and reliability of macroseismic magnitude of historical events Tectonophysics Campbell, K. W. (1997). Empirical near-source attenuation relationships for horizontal and vertical components of peak ground acceleration, peak ground velocity, and pseudo-absolute acceleration response spectra, Seismol. Res. Lett., 68, Choi, Y., Stewart, J. P., and R. W. Graves (2005). Empirical model for basin effects accounts for basin depth and source location, Bull. Seismol. Soc. Am. 95, Faccioli E., Vanini E., Frassine L. (2002) Complex site effects in earthquake ground motion, including topography, 12th European Conf. Earthq. Eng. 4

5 Kawase, H. [1996]. The cause of the damage belt in Kobe: The Basin-edge effect, Constructive interference of the direct S-wave with the basin-induced diffracted/rayleigh waves, Seismo. Res. Lett., 67, No.5, pp Rodriguez-Marek, A., Montalva, G., Cotton, F., and Bonilla, F. (2011) "Analysis of Single-Station Standard Deviation Using the KiK-net data", BSSA Wald, D. J. and R. W. Graves (1998). The Los Angeles Basin Response in Simulated and Recorded Ground Motions, Bull. Seism. Soc. Am., 88, a.5 Cronoprogramma Fase I anno Semestre 1 2 Attività 1 Attività 2 Attività 3 Acquisizione dei nuovi dati accelerometrici e preparazione del flat-file Test sulle forme funzionali e sulle variabili del modello Raccolta bibliografica sugli effetti di sito nei dati macrosismici Calibrazione delle GMPEs a scala nazionale e regionale- Analisi della variabilità Analisi critica della documentazione raccolta 3b. English version The INGV Milano Pavia research group proposes two research lines for the S2 project, relative to the analysis of the observed data to be used as fundamental benchmark to perform comparative estimates with hazard analysis. The first activity concerns the exploration of strong motion data recorded in Italy up to 2012, the second one regards the problem of site effect from intensities data. 3b.1 State of the art (including references when necessary) Ground motion prediction equations in Italy are relatively recent (Bindi et al and Bindi et al. 2010) and are strongly connected to the development of a qualified strong motion database (ITACA, the Italian Accelerometric Archive, implemented by INGV Milano Pavia during the last two agreements between DPC and INGV). At the moment, Italian strong motion data and consequently the Italian GMPEs are essentially based on recent shallow (depth < 30 km) earthquakes, mainly occurred in the central Apennines. Every new earthquake reveals new features of the seismic ground motion, that were not taken into account in previous models for the (obvious) paucity of instrumental observations. The Mw 6.3 L Aquila earthquake (6 April 2009) highlighted that the proximity to the source, combined with the proximity to an alluvial basin, can cause shaking levels higher than expected, not entirely justifiable with the standard approaches used for the quantification of the ground motion. More recently the experience of the Po plain earthquakes, in particular the events occurred on 25 and 27 January 2012 (Mw 4.9 and 5.0, respectively), and the devastating events of May and June 2012 (Ml 5.9 and 5.8, respectively) demonstrated that in areas with low seismic activity, qualified strong motion 5

6 data set and reliable models should be developed. Here, the fundamental elements that should be taken into account in ground motion predictions is the existence of both deep and superficial seismic sources and the presence of a very deep sedimentary basin. In particular, deep sedimentary basins strongly affect the seismic wavefield (e.g., Kawase 1996; Wald et al., 1998) and response spectra (e.g., Campbell 1997; Choi et al. 2005), especially at long periods. This phenomenon has been observed in the Po plain during the recent events of May The seismic hazard assessment takes into account historical strong earthquakes, quantified in terms of macroseismic fields. It is reasonable to suppose that, as the ground shaking level can be affected by site effects, so the macroseismic intensity estimation, even considering the greater complexity of its definition. There are conflicting opinions on the evidence of local soil or topographic amplification effects (Bossu et al., 2000; Faccioli et al., 2002). It is possible and reasonable to assess quantitatively the contribution of the site effect site contained macroseismic intensity? This answer can have important implications both on the review of historical earthquakes, but also on the conversion of instrumental values (PGA, PGV) into intensity values. In particular, within the current project, the validating process can benefit from these considerations. 3b.2 Goals The premise above demonstrates the need of studying in detail the observed ground motions in Italy, to provide new insights on their upper-bounds and variability, especially for moderate-to-large events, also in areas characterized by low seismicity. These studies can provide important implications for seismic hazard assessment, since they can be used to constrain the upper bounds for ground motion predictions and to identify the conditions in which they occurred (Pacor et al., 2011). This goal can be achieved through a revision of the current empirical models for ground motion prediction, based on updated and qualified strong motion dataset. In this project, we propose to work at different scales with the aim to improve the GMPEs, valid for the national territory and selected areas. The starting point is represented by the last Italian GMPEs (ITA10, Bindi et al., 2011) developed for peak ground acceleration, peak ground velocity and acceleration spectral ordinates (up to T =2s) and EC8 soil classes, using a strong motion data set in the period range Special attention will be devoted to the parametrization of site effect within GMPEs, to take into account the effects of very deep sediments. Parallel, a state of the art will be prepared regarding the contribution of the site response on macroseismic data. 3b.3 Activity (with timetable for each phase) Research line 1 will be composed by 6 activities, 4 of them developed at national scale e two in the Pianura padana region The proposed activities at national scale are: 1) update the ITA10 GMPEs with the recently acquired data (Po plain events, which significantly increment the number of thrust events with M > 4.5 and EC8 soil class D samples); 2) evaluate GMPEs for additional GM parameters (Arias intensity, Housner intensity, vertical components, displacements spectral ordinate up to 10s); 3) adopt different distance metrics in order to reduce the epistemic uncertainty in the derived GMPEs (i.e. hypocentral distance, distance to the rupture area) 4) analysis of ground motion variability. The proposed activities at regional scale are: 6

7 5) calibrate regional GMPEs for both shallow and deep events, using the strong motion data set acquired in northern Italy, also including data from the 2012 seismic sequence of Modena Ferrara. 6) introduce new explanatory variables, aimed at reducing the epistemic uncertainty in the case of deep sedimentary basins. Research line 2 Regarding the site effects on intensity data, we propose a bibliographic synthesis of studies able to quantify or neglect site effects in macroseismic intensity fields. 3b.4 Methodology The key elements of the developing and updating of the GMPEs will be the strong motion dataset, composed by accelerograms uniformely processed and by the accelerometric dabase, including qualified and verified metadata associated to the events and stations For the analysis, egression scheme based on the random effect model (Brillinger and Preisler 1985; Abrahamson and Youngs 1992) will be adopted, allowing to separate the different components of the variability, in terms of between-event and between-site terms. The approach proposed by Rodriguez-Marek (2011) will be also followed to estimate the single station sigma. 3b.5 Timetable Phase I anno Semester 1 2 Activity 1 Activity 2 Activity 3 Acquisition of new strong motion data and compilation of the flat-file Test on the functional forms and explanatory variables Collection of bibliographic material on site effects and macroseismic data Calibration of GMPES at National and regional level- Analysis of ground motion variability Critical review of the collected bibliography 4a. Prodotti Aggiornamento dei coefficienti descriventi le equazioni predittive per il territorio italiano e calibrazione di equazioni predittive regionali per la Pianura Padana 4b. Deliverables 1) Rapporto descrivente il data set, il metodo e i risultati relativi alla calibrazione delle equazioni predittive a scala nazionale e regionale 2)Rapporto descrivente lo stato dell arte sulla possibili effetti della risposta sismica locale nei dati di intensità 5. Interazioni con altri Enti/Istituzioni Le attività di questo progetto saranno svolte in collaborazione con il GFZ (Potsdam), dove 7

8 attualmente lavora il dott. Dino Bindi e coautore delle equazioni predittive del moto del suolo per l Italia e con l ISTerre (Grenoble), istituto con il quale l unità di ricerca collabora per il trattamento e quantificazione della variabilità del moto. 6. Possibili interazioni con altri Progetti DPC (indicare quali progetti) 7. Piano finanziario (in Euro) Categoria di spesa Importo previsto 1) Spese di personale ) Spese per missioni ) Costi amministrativi (solo per i responsabili di programma) 4) Spese per studi, ricerche ed altre prestazioni professionali ) Spese per servizi 6) Materiale tecnico durevole e di consumo ) Spese indirette (spese generali) 3600 Totale