ANALISI 3D DELLA RISPOSTA SISMICA LOCALE DEL COLLE DI CASTELNUOVO ALL EVENTO DEL 6.IV.2009

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1 ANALISI 3D DELLA RISPOSTA SISMICA LOCALE DEL COLLE DI CASTELNUOVO ALL EVENTO DEL 6.IV.2009 Landolfi Luigi Evangelista Lorenza Chiaradonna Anna d Onofrio Anna Silvestri Francesco Sommario A seguito dell evento del 6 aprile 2009, l edificato storico della frazione di Castelnuovo è stato quasi completamente distrutto. L elevato livello di danno agli edifici è, a prima vista, imputabile sia alla morfologia del rilievo, sia alla presenza di un sistema di cavità ipogee che sottende gran parte dell edificato. Al fine di comprendere l influenza di tali fattori sulla risposta sismica del colle, è stato costruito un modello numerico tridimensionale dell area, col quale sono state eseguite simulazioni dello scuotimento indotto dall evento principale del 6 aprile 2009, ampliando le conoscenze in merito alla risposta sismica del sito di Castelnuovo. 1. Introduzione L intenso danneggiamento prodotto dal terremoto aquilano del 6 aprile 2009 nei piccoli centri anche a distanze epicentrali elevate è correlabile all estrema vulnerabilità dell edificato, agli effetti di amplificazione sismica dovuti alle condizioni stratigrafiche e morfologiche locali, e ai forti effetti di direttività che hanno caratterizzato l evento. Il rilevamento macrosismico svolto all indomani del mainshock (Camassi et al. 2009) ha mostrato, infatti, che le località maggiormente danneggiate sono allineate con la proiezione in superficie della faglia, ad esclusione della frazione di Castelnuovo, distante circa 20km dall epicentro, in cui le condizioni di sito hanno contribuito all elevato livello di danno, associabile ad un intensità macrosismica del IX-X grado MCS (Gruppo di Lavoro MS AQ, 2010, Lanzo et al., 2011) Castelnuovo, sorge su un lembo residuo di terrazzo fluviale, elevato circa 60m rispetto alla pianura circostante (870m s.l.m. in cima al colle), di forma leggermente ellittica, con asse maggiore orientato in direzione WNW-ESE ed acclività media dei versanti di circa 15. L intenso danneggiamento degli edifici, da quelli più antichi posti in cima al colle e costituenti il

2 nucleo medioevale del castello, a quelli più recenti del borgo sul versante Sud-Est (Fig. 1), a parità di vulnerabilità stimata dell edificato, è stato inizialmente ascritto a fenomeni di amplificazione topografica, evidenziati da registrazioni di aftershock elaborate in termini di rapporti spettrali H/V (Gruppo di Lavoro MS AQ, 2010). Un primo approfondito studio numerico di risposta sismica del colle, eseguito in ambito di microzonazione dell area aquilana, ha evidenziato gli effetti topografici nell andamento del fattore di amplificazione dell intensità di Housner calcolato nell intervallo di periodi T= s, in cui ricade la prima frequenza propria di vibrazione del colle, pari ad 1Hz (Lanzo et al. 2011). Al contrario, essi sono completamente assenti nel fattore di amplificazione dell accelerazione di picco (Lanzo et al. 2011). a) b) 1 2 Fig. 1 Castelnuovo: vista dall alto del versante Sud-Est del colle, prima a) e dopo b) il terremoto del 6 aprile Sono indicati: 1) il nucleo del castello, 2) gli edifici del borgo costruiti tra il 1945 ed il Studi di dettaglio del danno rilevato sul versante Sud del colle (Borghini et al. 2011) hanno ipotizzato che la presenza di un sistema di cavità ipogee, al disotto delle aree edificate del borgo, abbia inciso sulla distribuzione dei livelli elevati di danno, a causa sia di un anomala amplificazione dello scuotimento in superficie indotta dalla presenza dei vuoti nel sottosuolo, sia dei cedimenti dovuti alle deformazioni nello strato di ricoprimento delle cavità. Per comprendere l entità dell incidenza di ciascuno dei fattori identificati (condizioni stratigrafiche, morfologia superficiale e discontinuità del sottosuolo) sono state condotte simulazioni numeriche su un modello tridimensionale del colle, con il codice di calcolo alle differenze finite FLAC3D v.5.0 (Itasca, 2012). Il segnale accelerometrico per l analisi di risposta sismica è stato ricostruito dalla registrazione dell evento del 6 aprile 2009, effettuata in prossimità dell epicentro, attraverso un modello d attenuazione opportunamente selezionato. I risultati sono stati resi in termini di distribuzione e andamenti del fattore di amplificazione dell accelerazione di picco, e dell intensità di Housner, coerentemente con gli studi precedenti (Lanzo et al. 2011). 2. Modello numerico tridimensionale del colle Il modello numerico tridimensionale del colle è stato costruito sulla base delle informazioni raccolte durante gli studi di microzonazione sismica dell area aquilana (Gruppo di Lavoro MS AQ, 2010). L area di studio è un rettangolo i cui lati, orientati secondo le direzioni parallela, FP, e normale, FN, allo strike della faglia (133 Nord), misurano rispettivamente 700 e 600m (Fig. 2). Il perimetro si sviluppa nelle zone pianeggianti che circondano il colle, al fine di circoscrivere la zona interessata da effetti di amplificazione topografica. Il modello di sottosuolo è costituito da un banco di limi carbonatici di spessore massimo pari a 148m in corrispondenza della cima del colle, sovrastante due strati di materiale di alterazione (brecce, calcareniti alterate) del substrato roccioso di base, costituito da calcareniti mioceniche. In Fig. 2c si riporta lo schema stratigrafico, unitamente alle proprietà dinamiche dei materiali ed al relativo profilo di velocità delle onde di taglio, V S. L andamento di V S per i limi è stato ottenuto dall interpretazione congiunta dei risultati di prove down-hole e di colonna risonante, che hanno permesso di descrivere la variabilità del modulo di rigidezza a taglio iniziale, G 0,

3 con la tensione media efficace p (Marcon, 2011). Fig. 2 a) Modello 3D, b) area di studio (in blu), c) modello geotecnico di sottosuolo e relativo profilo di V S, d) smorzamento alla Rayleygh e spettro di Fourier dell accelerogramma in input e). Tutti i terreni sono stati modellati come mezzi a comportamento visco-elastico lineare: per i limi si è assunto un fattore di smorzamento variabile con la frequenza, secondo la formulazione di Rayleigh (approccio a singola frequenza di controllo), mentre per i materiali degli strati di alterazione e per le calcareniti del substrato roccioso di base, il fattore di smorzamento è stato assunto costante. Le cavità ipogee presenti nel banco di limi carbonatici sono state rappresentate in via semplificata come cilindri di lunghezza compresa tra m (coerentemente col rilievo riportato in Borghini et al. 2011) e diametro pari a 5m. Le cavità con interasse minore di 5m sono state accorpate ipotizzando che la loro influenza sullo scuotimento in superficie equivalga a quella di una singola cavità circolare, di diametro orientativamente pari alla somma delle rispettive larghezze. Le cavità così rappresentate sono state collocate nello spazio del modello geometrico, imponendo che, per ognuna, il baricentro della sezione d ingresso (sezione rivolta al fronte strada) fosse a una profondità dalla superficie topografica pari a 5m. Il modello geometrico tridimensionale è stato discretizzato scegliendo opportunamente le tipologie di elementi da usare nella suddivisione dei volumi e assegnando la massima lunghezza dello spigolo, l max, conformemente al criterio suggerito da Lysmer e Kuhlemeyer (1973); i valori di l max sono compresi tra /6 e /8 al fine di ottimizzare i tempi di calcolo, limitando così la banda di frequenze trasmesse a un massimo di 10Hz. Tutti i volumi sono stati discretizzati attraverso elementi tetraedrici e wedge (prisma a base triangolare), ad accezione delle cavità che sono state suddivise in esaedri, imponendo un l max= 2.5m (Fig. 3). Lungo i contorni del dominio sono state imposte condizioni di free field ai lati e quiet boundaries alla base, in virtù delle quali l azione sismica è stata applicata come storia temporale delle tensioni tangenziali, calcolata a partire dalla storia temporale delle velocità, derivata dall accelerogramma assunto come input sismico. Quest ultimo è il mainshock della sequenza aquilana registrato alla stazione AQG (Colle Grilli) della rete accelerometrica nazionale (RAN). Tale stazione è posta alla sommità di un rilievo costituito da calcari alterati e fratturati, con bedrock sismico individuato alla profondità di 25m a partire da una prova DH. Assumendo un comportamento visco-elastico lineare dei terreni è stata condotta un operazione di deconvoluzione 1D con il codice EERA (Bardet et al., 2000) sull accelerogramma proiettato in direzione parallela, FP, e normale, FN, allo strike della faglia. I segnali così ottenuti sono stati scalati in ampiezza al sito di Castelnuovo attraverso la legge di attenuazione ITA10 (Bindi et al, 2010), in base alla quale l accelerazione massima al sito è risultata

4 pari a 0.173g (Fig. 2). La sollecitazione sismica è stata applicata soltanto in direzione FP. Fig. 3 Discretizzazione del modello geometrico 3D: a) vista dall alto, in rosso le cavità considerate, con riferimento all edificato (in grigio); b) sezione A parallela alla direzione WNW-ESE con dettaglio della discretizzazione (la lettera indica il litotipo, il numero l elemento di mesh); c) particolare delle cavità intercettate dalla sez.a. 3. Analisi numeriche. Le analisi numeriche sono state condotte assumendo un comportamento visco-elastico lineare dei terreni, affinché la risposta sismica del colle fosse condizionata essenzialmente dalla morfologia superficiale, dalla stratigrafia e dalle discontinuità presenti nel sottosuolo. In una prima fase è stata trascurata la presenza delle cavità (caso NoCAV), mentre in una fase successiva queste sono state considerate (caso CAV), annullando i volumi da esse individuate (aree in grigio, in Fig. 3c) I risultati sono stati resi in termini di fattori di amplificazione della PGA (AF PGA) e dell intensità di Housner calcolata negli intervalli di periodo T= s e s (rispettivamente, AF HI s e AF HI s). Per ciascuno di tali parametri le Fig. 4c,d,e riportano il dettaglio degli andamenti in tre sezioni (18-19 e 24) passanti per la base e la cima al colle. Sono inoltre riportati i fattori di amplificazione calcolati in condizioni 1D nelle verticali alla base del versante (A,C) ed in corrispondenza della cima del colle (B). Gli effetti di amplificazione stratigrafica sono evidenti in tutto l intervallo di frequenze indagato. I valori di PGA crescono con un gradiente che tendenzialmente asseconda la topografia del rilievo, assumendo il massimo in corrispondenza della cima del colle (Fig. 4c). Gli andamenti del fattore di amplificazione della PGA lungo le sezioni 18 e 19, che intersecano l insieme di cavità, non mostrano variazioni indotte dalla presenza delle stesse (confronto caso CAV vs. NoCAV). Nonostante la PGA sia sensibile alle variazioni in ampiezza delle armoniche ad alte frequenze; in questo caso, come prevedibile in base a studi parametrici 2D precedenti (Landolfi et al., 2011, Chiaradonna et al., 2012) le cavità non influiscono sul campo d onda propagato, essendo le minime lunghezze d onda dell ordine di V Smin/f max 30m, pari a 6 volte il diametro delle cavità assunte nel modello. Ai lati del colle, in zone sostanzialmente pianeggianti, il fattore di amplificazione AF PGA è approssimativamente costante e circa pari a 2, valore in ottimo accordo con quello calcolato anche su modello 1D. Il fattore di amplificazione dell intensità di Housner calcolata per T= s (Fig. 4d) non risente in maniera evidente degli effetti topografici, attestandosi mediamente sul valore 2. Nei valori di AF HI s (Fig. 4e), rappresentativi dell amplificazione nell intervallo di frequenze in cui ricade la prima frequenza propria di vibrazione del colle (1Hz), l aggravio amplificativo indotto dalla morfologia superficiale è l aliquota preponderante. Anche in questo caso, nelle verticali alla base del

5 rilievo, i fattori di amplificazione calcolati sul modello 3D sono sostanzialmente uguali a quelli 1D. In corrispondenza della verticale alla cima del colle i valori da analisi 1D sono minori di quelli calcolati nelle altre verticali, permettendo quindi di distinguere gli effetti indotti dalla morfologia superficiale da quelli di amplificazione puramente stratigrafica. La coincidenza dei valori dei fattori di amplificazione 3D e 1D in corrispondenza delle verticali A e C, permette di avere un riferimento utile per la valutazione del un fattore di amplificazione topografica, che risulta pari a 2.30, circa il doppio rispetto i valori previsti dalla norma, pari a 1.2 nel caso specifico di Castelnuovo. 4. Conclusioni Nella nota è stato riassunto parte del più ampio lavoro di modellazione ed analisi numerica eseguito per lo studio della risposta sismica del sito di Castelnuovo, la cui complessità è legata alla morfologia superficiale, alla natura dei limi carbonatici di cui è costituito il colle e alla presenza di cavità poco profonde, nel sottosuolo. Sono stati qui riportati i risultati delle analisi condotte in ipotesi di materiali a comportamento visco-elastico lineare, che, nell ambito delle semplificazioni del modello, quantificano e distinguono l influenza della stratigrafia e della morfologia superficiale, fattori dominanti nella risposta sismica del sito di Castelnuovo. Le analisi eseguite in ipotesi di rigidezza iniziale dipendente dallo stato tensionale in sito e non linearità del comportamento meccanico dei limi, hanno evidenziato, infatti, una scarsa incidenza degli effetti dissipativi legati alla natura dei materiali in gioco. L analisi di scenario all evento del 6 aprile 2009 (mainshock della sequenza sismica del terremoto aquilano) è stata resa in termini di fattori di amplificazione dell accelerazione di picco, PGA, e dell intensità di Housner negli intervalli di periodo T= s e T= s. In quest ultimo ricade la prima frequenza propria di vibrazione del colle, pari ad 1Hz. I fattori di amplificazione della PGA e dell intensità di Housner assumono il massimo in corrispondenza della cima del colle con un decremento verso valle, dove si attestano su un valore coerente e prossimo a quello da analisi 1D. Nell intervallo di frequenze in cui ricade la prima frequenza di risonanza del colle si ha la massima incidenza dell amplificazione topografica, con un aggravio amplificativo pari anche al triplo dell amplificazione stratigrafica, in corrispondenza della cima. In merito all incidenza delle cavità ipogee rinvenute in sito sullo scuotimento indotto in superficie, i risultati delle analisi mostrano che queste non hanno effetti sensibili sulle distribuzioni dei fattori di amplificazione. La ridotta dimensione media della sezione trasversale della cavità tipo (D=5m), infatti, non è in grado di interferire sensibilmente con le lunghezze d onda corrispondenti alle frequenze del segnale. Bibliografia Bardet J.P., Ichii K., Lin C.H. (2000). EERA a Computer Program for Equivalent-linear Earthquake site Response Analyses of Layered Soil Deposits. Univ. of Southern California, Dep. of Civil Eng. Bindi D., Pacor F., Luzi L., Puglia R., Massa M., Ameri G., Paolucci R. (2011). Ground motion prediction equations derived from the Italian strong motion database. Bulletin of Earthquake Engineering, DOI: /s z. Borghini A., Del Monte E., Ortolani B., Vignoli A. (2011). Studio degli effetti del sisma del 06/04/2009 sulla Frazione di Castelnuovo, Comune di San Pio delle Camere (AQ). Atti del XIV Convegno Nazionale ANIDIS L ingegneria sismica in Italia, Bari. Camassi et al. (2009). Rapporto sugli effetti del terremoto aquilano del 6 aprile 2009, QUEST (QUick Earthquake Survey Team), Chiaradonna A., d Onofrio A., Landolfi L., Silvestri F. (2012). Effetti di cavità sulla risposta sismica locale. Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica IARG 2012, Padova, 2-4 luglio Itasca (2005). FLAC Fast Lagrangian Analysis of Continua Versione 5.0. Manuale Utente, Itasca Consulting Group, Minneapolis, USA. Landolfi L., Silvestri F., Costanzo A. (2011). Effects of subsurface cavities in the local seismic site response: a pilot study inspired by the case of Castelnuovo. Atti del XIV Convegno Nazionale ANIDIS L ingegneria sismica in Italia, Bari. Lanzo G., Silvestri F., Costanzo A. d Onofrio A., Martelli L., Pagliaroli A., Sica S., Simonelli A. (2011). Site

6 response studies and seismic microzoning in the Middle Aterno valley (L Aquila, Central Italy). Bulletin of Earthquake Engineering, 3.V Lysmer J., Kuhlemeyer R.L. (1969). Finite Dynamic Model for Infinite Media. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, 95, No. SM4, Gruppo di Lavoro MS AQ (2010). La Microzonazione sismica dell'area aquilana. Regione Abruzzo. Fig. 4 Fattori di amplificazione AF PGA, AF HI s, AF HI s a) area di studio con indicate le sezioni del modello a cui fanno riferimento gli andamenti riportati in c), d), e); b) distribuzione dei valori di AF PGA in scala cromatica per valori compresi tra 0.5 e 7.