Microzonazione Sismica dell Area Archeologica Centrale di Roma

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1 Microzonazione Sismica dell Area Archeologica Centrale di Roma Alessandro Pagliaroli, Massimiliano Moscatelli, Francesco Stigliano, Marco Mancini CNR-IGAG, Istituto di Geologia Ambientale e Geoingegneria. Area della Ricerca di Roma RM1, Via Salaria km 29,300, Monterotondo Stazione (RM) Vincenzo Di Fiore CNR-IAMC, Istituto per l Ambiente Marino e Costiero. Calata Porta di Massa interno Porto di Napoli, Napoli Giuseppe Lanzo SAPIENZA Università di Roma, Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica (DISG). Via Gramsci 53, Roma Salvatore Piro CNR-ITABC, Istituto per le Tecnologie Applicate ai Beni Culturali. Area della Ricerca di Roma RM1, Via Salaria km 29,300, Monterotondo Stazione (RM) Sabatino Piscitelli CNR-IMAA, Istituto di Metodologie per l Analisi Ambientale. C. da S. Loja, Tito (PZ) Giuseppe Naso, Sergio Castenetto, Fabio Sabetta DPC, Dipartimento della Protezione Civile. Via Vitorchiano 2, Roma Pia Petrangeli Ufficio del Commissario delegato per le Aree Archeologiche di Roma e Ostia Antica. Via del Collegio Romano 27, Roma Roberto Cecchi Commissario delegato per le Aree Archeologiche di Roma e Ostia Antica. Keywords: risposta sismica locale, microzonazione sismica, modello di sottosuolo, area archeologica, Roma ABSTRACT La memoria sintetizza i risultati dello studio multidisciplinare di microzonazione sismica dell area archeologica centrale di Roma comprendente il Colle Palatino, i Fori e il Colosseo. Il lavoro illustra dapprima la carta delle microzone omogenee in prospettiva sismica (carta di livello 1), che suddivide l area in differenti zone (stabili, instabili, suscettibili di amplificazione locale) sulla base di considerazioni qualitative riguardanti essenzialmente l assetto litostratigrafico. Viene presentato, successivamente, il modello di sottosuolo finalizzato all esecuzione di analisi numeriche di risposta sismica locale, propedeutiche per la stesura delle carte di microzonazione sismica di livello 3, e costruito sulla base di una estesa campagna di indagini eseguita nel Le analisi numeriche di risposta locale, delle quali si riportano alcuni risultati esemplificativi, hanno evidenziato modesti fenomeni di amplificazione locale, le cui conseguenze possono tuttavia essere importanti su beni archeologici e monumentali caratterizzati generalmente da una elevata vulnerabilità. 1 INTRODUZIONE La memoria sintetizza i principali risultati dello studio di microzonazione sismica (MS) dell area archeologica centrale di Roma comprendente il Colle Palatino, i Fori e il Colosseo. L attività di ricerca è stata svolta dall Istituto di Geologia Ambientale e Geoingegneria del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-IGAG), in collaborazione con altri enti e istituti di ricerca, su richiesta del Commissario delegato per le Aree Archeologiche di Roma e Ostia Antica, per conto del Dipartimento della Protezione Civile (DPC). La complessità dell argomento oggetto di studio ha richiesto l azione coordinata e integrata di diverse unità di ricerca, con competenze nei campi della geologia, della geotecnica, della geofisica e dell archeologia. Le attività hanno avuto inizio nel febbraio 2009 e sono attualmente in corso di ultimazione. Il lavoro si è basato sia sull acquisizione di dati di letteratura e dati pregressi non pubblicati (Cavinato et al. 2010), sia su una nuova, approfondita, campagna multidisciplinare di indagini, eseguita nel 2010, i cui elementi

2 essenziali sono riportati da Moscatelli et al. (2011a) in questo stesso convegno. Dopo un breve cenno agli aspetti metodologici, una sintesi delle attività svolte nell ambito della campagna di indagine 2010 e un conciso inquadramento geologico dell area, la memoria presenta i risultati dello studio di microzonazione sismica. In particolare è dapprima descritta la carta di microzonazione di livello 1, che suddivide l area in zone a comportamento sismico omogeneo sulla base essenzialmente di dati geologici e misure di rumore ambientale. Infine sono presentati alcuni risultati rappresentativi delle modellazioni bidimensionali di risposta sismica locale del colle Palatino e delle aree limitrofe, basate su un modello integrato di sottosuolo, sintesi di tutti i dati acquisiti nell area. Le analisi numeriche sono finalizzate alla stesura della carta di microzonazione di livello 3, in cui ciascuna area omogenea è caratterizzata da un valore del coefficiente di amplificazione del moto sismico, e alla definizione delle azioni sismiche in siti di particolare interesse storico e archeologico. 2 ASPETTI METODOLOGICI Gli studi di MS hanno l obiettivo di investigare i fenomeni di amplificazione del moto sismico, legati alle caratteristiche stratigrafiche, geotecniche e morfologiche dell area di studio, e dei fenomeni di instabilità e di deformazione permanente attivati dal sisma, fornendo informazioni utili per il governo del territorio, per la progettazione delle opere, la pianificazione dell emergenza e la ricostruzione post sisma. Gli studi di MS possono quindi contribuire concretamente, unitamente a studi di vulnerabilità ed esposizione al rischio, all ottimizzazione delle risorse per interventi mirati alla mitigazione del rischio sismico. Le modalità tecniche di esecuzione e di applicazione della MS sul territorio italiano sono definite dagli Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica approvati dal Dipartimento della Protezione Civile (DPC) e dalla Conferenza delle Regioni e delle Province autonome (Gruppo di Lavoro MS 2008). I livelli di approfondimento previsti, con complessità e impegno di risorse crescenti, sono: - livello 1, propedeutico ai veri e propri studi di MS, che consiste in una raccolta di dati preesistenti, elaborati per suddividere su base qualitativa il territorio in microzone omogenee in prospettiva sismica; - livello 2, che utilizza ulteriori e mirate indagini, ove necessarie, e definisce una carta di MS, descrivendo in maniera quantitativa lo scuotimento sismico generalmente attraverso l uso di abachi; - livello 3, che restituisce una carta di MS con approfondimenti su tematiche o aree particolari, fornendo una caratterizzazione quantitativa delle microzone attraverso un fattore di amplificazione del moto sismico e, generalmente, spettri di risposta tipo ricavati attraverso modellazioni numeriche della risposta sismica locale. Nel presente studio è prevista la realizzazione di carte di livello 1 e 3. La carta di MS di livello 1, o "Carta delle microzone omogenee in prospettiva sismica", è stata dapprima realizzata sulla base dei dati pregressi e successivamente aggiornata alla luce dei risultati della campagna di indagine del Tale campagna ha consentito di raggiungere un elevato livello di approfondimento nella caratterizzazione geofisica e geotecnica dell area portando alla definizione del modello di sottosuolo per l esecuzione di analisi di risposta locale 1D e 2D. L estensione areale dei risultati delle modellazioni numeriche ha condotto alla definizione della mappa di livello 3, attualmente in corso di ultimazione, e alla definizione delle azioni sismiche sotto forma di spettri di risposta in siti di particolare interesse. 3 CAMPAGNA DI INDAGINE 2010 Come detto, i risultati della campagna di indagine integrativa del 2010 sono presentati da Moscatelli et al. 2011a in questo stesso convegno. In questo paragrafo vengono esclusivamente richiamate le attività eseguite dalle varie unità di ricerca coinvolte nel progetto: 1. esecuzione di 25 sondaggi a carotaggio continuo, di profondità compresa tra 20 e 60 m (per un totale di oltre 800 m perforati), prelievo di 45 campioni indisturbati e 31 rimaneggiati, esecuzione di prove in sito (35 prove penetrometriche SPT) e video ispezioni in foro, sotto la sorveglianza scientifica del CNR-IGAG; 2. esecuzione di prove geotecniche di laboratorio su 34 campioni per la caratterizzazione dei terreni e delle rocce sia in campo statico sia in campo ciclico; presso il laboratorio del Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica (DISG) dell Università La Sapienza di Roma, sono state eseguite prove di identificazione e classificazione, prove meccaniche standard (taglio diretto, edometriche) e prove di taglio ciclico;

3 3. esecuzione di indagini Georadar (GPR) su 5 aree, utilizzando antenne con frequenze MHz, eseguite dall Istituto per le Tecnologie Applicate ai Beni Culturali (ITABC) del CNR; 4. esecuzione di indagini geofisiche di superficie (20 MASW, 2 tomografie sismiche) e in foro (11 Down-Hole a 30 m e 1 Cross-Hole a 55 m) realizzate dall Istituto per l Ambiente Marino e Costiero (IAMC) del CNR; 5. esecuzione di 24 tomografie di resistività elettrica (ERT) a diversa scala e diversa risoluzione, per un totale di oltre 5000 metri lineari a cura del Istituto di Metodologie per l Analisi Ambientale (IMAA) del CNR; 6. esecuzione di oltre 80 misure di rumore ambientale (microtremori) a stazione singola, con tromografo digitale e sismografo, realizzate dall Ufficio Rischio Sismico e Vulcanico del DPC. Tutte le informazioni sono state archiviate nella banca dati del progetto UrbiSIT Sistema Informativo Territoriale per la pianificazione di protezione civile in aree urbane (realizzato dal CNR-IGAG per il DPC), e rese disponibili previa identificazione attraverso il WebGIS Palatino all indirizzo 4 ASSETTO GEOLOGICO L assetto geologico-stratigrafico del colle Palatino, dei Fori e del Colosseo è descritto dettagliatamente in Mancini et al. (2011), nel quale è stata proposta una ricostruzione dell architettura stratigrafica generale e delle geometrie dei corpi sepolti. L assetto del sottosuolo nell area in studio è altresì sintetizzato in Moscatelli et al. (2011a). Nell ambito dell assetto geologico è stato definito uno schema geo-litologico di riferimento che individua litotipi prevalenti all interno delle diverse formazioni geologiche (Tabella 1). In estrema sintesi, al di sopra di un bedrock geologico costituito da una potente successione di sedimenti argillososabbiosi marini, di età pliocenica, fortemente sovraconsolidati (Formazione di Monte Vaticano, MVA), si riconosce un complesso di formazioni continentali, di ambiente fluviale e vulcanico distale, potente fino a m e di età Pleistocene medio, che costituisce nel suo insieme la struttura del colle Palatino (unità CIL- VGU-PTI-PPT-FTR-VSN-AEL in Tabella 1) (Fig. 1). I depositi alluvionali recenti del Sintema del Fiume Tevere (SFTba) del tardo Pleistocene- Olocene, sono confinati esclusivamente nelle valli bordanti il colle (Valle del Velabro, Valle Murcia, Valle Labicana). Infine una copertura costituita da terreni di riporto antropico e da elementi murari sepolti (deposito antropico, h) copre quasi con continuità tutta l area raggiungendo sensibili spessori (fino a 20 m). Tabella 1. Principali litotipi individuati per ciascuna formazione geologica. Formazione Litotipo Antropico (h) Alluvioni recenti (SFTba) Aurelia (AEL) Villa Senni (VSN) Fosso del Torrino (FTR) Unità di Prima Porta (PPT) Unità del Palatino (PTI) Valle Giulia (VGU) Santa Cecilia (CIL) Monte Vaticano (MVA) Terreno e muratura argille limose/limi argillosi (SFTba3) sabbie limose/limi sabbiosi (SFTba2) ghiaie/ghiaie sabbiose (SFTba1) limi argillosi tufo litoide (VSN1a) tufo argillificato/pozzolane (VSN1b) argille limose/limi argillosi (FTR3) sabbie limose/limi sabbiosi (FTR2) ghiaie/ghiaie sabbiose (FTR1) tufo litoide tufo litoide ghiaie con sabbia/sabbie con ghiaia (VGU1) alternanze di argille limose e sabbie limose (VGU2) ghiaie/ghiaie sabbiose (CIL1) sabbie limose (CIL2) limi argillosi 5 MICROZONAZIONE SISMICA 5.1 Carta delle microzone omogenee in prospettiva sismica (Carta di livello 1) La carta di primo livello è stata elaborata dapprima sulla base delle indagini pregresse (Castenetto et al. 2010). Successivamente la carta è stata aggiornata e integrata alla luce delle nuove informazioni emerse dalla campagna di indagini integrative eseguita nel 2010 (Moscatelli et al. 2011b). In particolare, oltre alle informazioni stratigrafiche dirette desunte dalle perforazioni di sondaggio, ci si è avvalsi delle misure di rumore ambientale eseguite con tromografo digitale Tromino in circa 80 postazioni, e con sismografo Lennartz in 5 siti. Per tutte le misure sono stati quindi calcolati i rapporti spettrali HVSR (Horizontal to Vertical Spectral Ratio), tra la componente orizzontale e quella verticale del rumore, al fine di identificare la frequenza fondamentale di risonanza dei depositi di terreno nei punti di acquisizione.

4 Figura 1. Carta geologica del substrato del colle Palatino e delle aree limitrofe e profilo geologico n. 2.

5 I risultati delle misure effettuate con il tromografo digitale Tromino mostrano una sostanziale omogeneità. La maggior parte delle misure effettuate tanto sul colle Palatino quanto nell area dei Fori (compresa tra il colle Palatino e via dei Fori Imperiali) è caratterizzata, infatti, da un andamento dello spettro HVSR sostanzialmente piatto (Fig. 2a). Tale risultato porta ad ipotizzare l esistenza di un contrasto di impedenza di debole entità tra i terreni presenti nel sottosuolo di tutta l area in esame. Questa ipotesi è stata successivamente confermata dalle indagini geofisiche, che non hanno infatti individuato significativi contrasti di impedenza. Con riferimento alle misure con sismografo Lennartz, che consente di indagare con accuratezza anche le basse frequenze, i rapporti spettrali HVSR hanno evidenziato in tutti i punti di acquisizione una frequenza fondamentale di risonanza compresa tra 0.3 e 0.35 Hz, con ampiezze spettrali aventi un massimo compreso tra 3 e 10 (Fig. 2b). È inoltre possibile notare un secondo picco, di ampiezza sensibilmente inferiore, generalmente intorno a 2, nel campo di frequenza Hz. Alle alte frequenze i rapporti spettrali sono generalmente piatti e confermano le indicazioni provenienti dalle misure con tromografo digitale (Fig. 2b). Il picco di importanza maggiore, intorno a 0.3 Hz, consente di collocare il bedrock sismico dell area a diverse centinaia di metri di profondità, probabilmente alla base argille marine sovraconsolidate della Formazione di Monte Vaticano (MVA), perforate proprio in questa zona in tutto il loro spessore dal pozzo Circo Massimo (Signorini 1939). Figura 2. Esempi di HVSR relativi ad acquisizioni con tromografo digitale Tromino (a) e sismografo Lennartz (b). b) a) La carta di livello 1 che aggiorna quella presentata da Castenetto et al. (2010) è mostrata in Figura 3. In particolare, l analisi dei dati geologici, geomorfologici e stratigrafici, ha consentito di stabilire l assenza di zone stabili in senso stretto e la netta prevalenza di zone stabili suscettibili di amplificazioni locali del moto sismico brevemente descritte nel seguito, numerate in progressione con livello di amplificazione attesa crescente. Zona 1 - Multilayer vulcano-sedimentario ridotto Questa zona interessa la fascia di raccordo tra le pendici dei colli (Palatino, Campidoglio, Aventino, Oppio) e le zone di fondovalle. La successione delle coperture comprende, dalla base, argille fortemente sovraconsolidate (MVA), seguite da circa 10 m di ghiaie e sabbie molto addensate (CIL-VGU), al cui interno si rinvengono localmente tufi litoidi per spessori massimi di 5 m (PTI). Seguono, verso l'alto, sabbie limose addensate per uno spessore medio di 5 m (CIL-VGU) e limi argillosi consistenti (essenzialmente FTR) per uno spessore di circa 10 m. Tutta la zona è ricoperta, infine, da una coltre antropica con spessori estremamente variabili (fino a 20 m), costituita da rinterri e murature. Zona 2 - Multilayer vulcano-sedimentario completo La Zona 2 interessa le aree di plateau dei colli Palatino (settore occidentale), Campidoglio, Celio (settore nord-orientale) e Oppio (settore sudorientale), caratterizzate da coperture vulcanosedimentarie di origine continentale. Tali coperture, come per la Zona 1, sovrastano le argille della MVA e comprendono, dal basso verso l'alto: 1) ghiaie sabbiose molto addensate e sabbie limose addensate per uno spessore medio di m (CIL-VGU); 2) tufi litoidi e semilitoidi, localmente stratificati, per uno spessore di circa 15 m (PPT-PTI); 3) sabbie mediamente addensate per uno spessore generalmente non superiore a 2-3 m (FTR); 4) tufi litoidi fratturati (localmente sostituiti da litotipi pozzolanacei e argillificati), per uno spessore medio di 9-10 m (VSN, riferibile al Tufo Lionato degli Autori); 5) limi consistenti (AEL). La successione si conclude con una coltre di copertura antropica, con spessori variabili da 1 metro a 10 m, costituita da rinterri e murature. Zona 3 - Paleovalle sepolta Questa zona interessa parte delle aree sommitali dei colli Palatino (settore orientale), Celio (settore occidentale) e Oppio (settore occidentale), caratterizzate dal riempimento di una paleovalle

6 sepolta (orientata in direzione circa NNW-SSE), riferibile al Sintema Torrino (FTR), incisa fino alle argille della MVA. La successione di depositi continentali sovrastanti comprende, dal basso verso l'alto: 1) sabbie e ghiaie addensate (per uno spessore di circa 10 m), seguite da 2) limi argillosi mediamente consistenti (spessore medio di 20 m) e 3) sabbie limose mediamente addensate (spessore medio 5 m), tutti riferibili alla FTR; 4) tufi generalmente pozzolanacei e argillificati, per uno spessore medio di 9-10 m (VSN); 5) limi consistenti (AEL). La successione delle formazioni geologiche è ricoperta da una coltre antropica di spessore variabile tra 2 e 15 m, costituita da rinterri e murature. Zona 4 - Fondovalle La zona comprende tutti i settori di fondovalle riferibili ai Fossi della valle Murcia (Circo Massimo), del Velabro (via di San Teodoro-Fori) e del Labicano (via di San Gregorio-Colosseo), caratterizzati da un riempimento costituito da depositi alluvionali recenti riferibili al Sintema del Fiume Tevere (SFTba). Anche in questo caso, l'incisione interessa tutta la coltre di coperture vulcano-sedimentarie, fino a incidere le argille sabbiose sovraconsolidate della MVA. La successione di riempimento delle incisioni vallive comprende, dal basso verso l'alto, 1) sabbie e ghiaie limose addensate per uno spessore di circa 5 m, seguite da 2) limi argillosi organici poco consistenti per uno spessore di m (fa eccezione il settore di Circo Massimo, dove gli spessori sono maggiori), all'interno dei quali si rinvengono intercalazioni di sabbie limose poco addensate (spessore massimo dei singoli corpi pari a 10 m). I settori di fondovalle sono interessati da una potente coltre di coperture antropiche (costituite da rinterri e murature), con spessori variabili da 10 a 20 m. Oltre alle zone stabili suscettibili di amplificazione locale, la carta individua le aree suscettibili di instabilità nelle quali gli effetti sismici attesi e predominanti sono riconducibili a deformazioni permanenti del terreno, eventualmente associati a fenomeni di amplificazione del moto sismico. In particolare sono state individuate le seguenti zone (Fig. 3): Zona suscettibile a crolli, ribaltamenti, scivolamenti Aree collocate lungo le pendici più acclivi dei colli Palatino (settore occidentale, principalmente) e Campidoglio, in corrispondenza dei quali sono possibili anche fenomeni di amplificazione del moto sismico dovuti ad effetti topografici. Tali aree interessano generalmente litotipi tufacei litoidi, a volte fratturati (VSN), ai quali si intercalano depositi sedimentari sabbioso-limosi che, in relazione alla giacitura dei contatti stratigrafici e alle caratteristiche geotecniche, possono influenzare le condizioni di stabilità dei versanti. Queste ultime sono ulteriormente influenzate dalla presenza di strutture murarie e, soprattutto, di cavità prossime alla superficie. Zona suscettibile a movimenti gravitativi complessi Tali aree interessano i versanti settentrionale e orientale del colle Palatino e quello occidentale del Celio, dove i litotipi limosi e sabbiosi della Formazione di Fosso del Torrino (FTR) assumono assetti giaciturali estremamente complessi, anche a causa delle profonde modificazioni indotte dall'azione antropica. Completano la carta l indicazione delle forme di superficie (orli di scarpata) e forme sepolte, quali, bordi di valle sepolta del Pleistocene superiore- Olocene (incisioni del SFTba), bordi di valle sepolta del Pleistocene medio (incisioni del FTR), discontinuità morfo-strutturali sepolte (Fig. 3). Le forme sepolte, in particolare, potrebbero essere sede di sensibili movimenti differenziali in caso di sisma. È importante sottolineare, inoltre, la presenza di cavità di origine antropica, che interessano diffusamente le zone di plateau dei colli, caratterizzate dalla presenza di strati tufacei più o meno litoidi. Figura 3. Carta delle microzone omogenee in prospettiva sismica del colle Palatino e delle aree limitrofe, aggiornata a seguito della campagna di indagini del 2010 (modificata da Moscatelli et al. 2011b).

7 5.2 Modello di sottosuolo La definizione del modello di sottosuolo richiede la ricostruzione della geometria dei singoli strati poggianti sul basamento sismico e la definizione, per ciascuna unità, delle caratteristiche fisiche e meccaniche rilevanti ai fini della modellazione della risposta sismica locale: modulo di taglio G (o, analogamente, velocità di propagazione delle onde di taglio V S ), rapporto di smorzamento (D) e loro variazione con il livello di deformazione tangenziale ( ). La caratterizzazione meccanica dei vari strati si è basata sia sui risultati delle indagini pregresse sia su quelli delle indagini integrative della campagna del A partire dai risultati delle indagini geofisiche pregresse e integrative (per un totale di 17 Cross- Hole, 11 Down-Hole, 3 SDMT e 20 MASW) sono stati calcolati, per ciascun litotipo individuato nell area in esame, i valori medi della velocità delle onde di taglio (V S ) e del coefficiente di Poisson ( ). Per i litotipi più diffusi tali valori sono stati dedotti a partire da diverse decine o centinaia di punti di misura. In generale, l esame dei dati geofisici ha mostrato che l area in esame è caratterizzata da una sostanziale omogeneità spaziale dei parametri geofisici relativi ad uno stesso litotipo, ad eccezione dello strato di materiale antropico (h) caratterizzato generalmente da una grande eterogeneità. Inoltre nell ambito delle verticali investigate, l andamento della rigidezza con la profondità è risultato, ad eccezione ancora dell unità h, sostanzialmente costante o caratterizzato da modesti gradienti. Gli strati di terreno appartenenti ad un medesimo litotipo bene si prestano quindi ad essere caratterizzati con un valore medio ai fini delle analisi di risposta sismica locale. I depositi antropici (h), la cui presenza nell area in esame assume particolare rilievo per i sensibili spessori (fino a 20 m), sono generalmente costituiti da terreno di granulometria eterogenea e da muratura, caratterizzata a sua volta da un grado di conservazione estremamente variabile. Data la stretta continuità con cui le varie componenti (terreno con muratura, strutture interrate, fondazioni) sono presenti nel sottosuolo, non è stato possibile individuare delle macro-aree omogenee per costituzione e, quindi, per caratteristiche di rigidezza. Poiché invece tutte le indagini indicano generalmente un gradiente con la profondità, è stato possibile interpolare l andamento di V S con la profondità z, mediante una legge esponenziale (V S =185 z 0.31 ). Per la determinazione delle curve di variazione del modulo di taglio G e del rapporto di smorzamento D con la deformazione tangenziale, si dispone di 20 prove di colonna risonante e 2 prove di taglio torsionale ciclico dalle indagini pregresse, integrate con 12 prove di taglio semplice ciclico eseguite presso il DISG con l apparecchiatura DSDSS (Double Specimen Direct Simple Shear device, D Elia et al. 2003) finalizzate alla caratterizzazione di tutti i litotipi, con particolare attenzione a quelli non caratterizzati dalle indagini pregresse (tufi litoidi e argille organiche del SFTba). Per i litotipi ghiaiosi (CIL1, FTR1 e SFTba1), non campionabili, si è fatto riferimento a dati di letteratura ricavati su materiali simili, generalmente campionati mediante congelamento, e sottoposti a prove triassiali cicliche eseguite su celle di grandi dimensioni. In particolare si è fatto riferimento ai risultati ottenuti da Hatanaka et al. (1988), che si riferiscono a ghiaie granulometricamente simili a quelle oggetto di studio. Le stesse curve sono state adottate per i depositi antropici (h), stante la prevalenza di materiali grossolani nella loro costituzione. Il modello di sottosuolo adottato per le modellazioni numeriche è sintetizzato nella Tabella 2, che riporta per ciascun litotipo i valori del peso dell unità di volume ( ), di V S, e le curve G/G 0 - e D- essendo G 0 il modulo di taglio alle bassissime deformazioni). I valori del peso dell unità di volume sono stati dedotti dalle determinazioni di laboratorio disponibili (Moscatelli et al. 2011a), mentre V S e sono stati calcolati come descritto in precedenza raggruppando materiali caratterizzati da rigidezze simili. Le curve G/G 0 - e D- adottate per i vari litotipi sono riassunte nella Figura 4. Tabella 2. Modello di sottosuolo adottato per le modellazioni numeriche. Litotipo (kn/m 3 ) V S (m/s) (-) h 18.0 V S =185z SFTba2, SFTba VSN1a PTI-PPT FTR2,3-VGU VSN1b-CIL2 VGU FTR CIL MVA Bedrock

8 - la stratigrafia del sondaggio Circo Massimo attraversa l intero spessore delle MVA evidenziando verso la base strati di argille sabbiose e sabbie marnose presumibilmente più rigide; - il gradiente di V S in terreni fortemente sovraconsolidati come le argille della MVA è generalmente modesto. Le analisi sono state condotte con il codice di calcolo Proshake (EduPro Civil System 1998) ipotizzando per il terreno un comportamento visco-elastico lineare. Lo smorzamento è stato posto pari al 2% per i materiali di copertura e pari a 1.5% per le argille della MVA, in accordo con le determinazioni di laboratorio. Le funzioni di trasferimento tra l affioramento del basamento sismico e la superficie del modello, calcolate per tutti i profili esaminati, sono riportate in Figura 6 insieme con l indicazione del picco principale dei rapporti HVSR calcolati su misure di rumore ambientale con sismografo Lennartz. Figura 4. Curve G/G 0 - e D- adottate per le modellazioni numeriche. 5.3 Scelta della profondità del basamento sismico e caratterizzazione geofisica delle argille MVA La formazione MVA, basamento geologico dell area romana, nelle prime decine di metri di spessore è caratterizzata da un valore medio della velocità delle onde di taglio pari a circa 480 m/s, inferiore quindi a 800 m/s usualmente assunto per il bedrock sismico, e al quale di riferisce l input sismico da applicare nelle analisi numeriche di risposta locale. Al fine di individuare la profondità alla quale viene raggiunto il valore di 800 m/s, sono state condotte analisi 1D con riferimento ad una verticale passante per il sito della Basilica di Massenzio, prossima ad una delle stazioni di misura dei microtremori con sismografo Lennartz, e in corrispondenza della quale si dispone di una prova Cross-Hole. Le analisi sono state eseguite ipotizzando nelle argille della MVA differenti gradienti di V S (Fig. 5) fino al raggiungimento del valore di 800 m/s. I differenti profili di V S sono stati scelti tenendo conto dei seguenti aspetti: - i risultati delle misure di microtremore con sismografo Lennartz restituiscono una frequenza fondamentale di risonanza che per l intera area ricade nell intervallo Hz; Figura 5. Profili di V S ipotizzati nelle argille sovraconsolidate della MVA per le analisi 1D parametriche eseguite nel sito della Basilica di Massenzio. Figura 6. Funzioni di trasferimento calcolate con le analisi 1D parametriche e confronto con la frequenza fondamentale f 0 da misure di rumore ambientale.

9 Dal confronto è possibile osservare che i profili 3, 7 e 8 sono quelli che meglio riproducono il dato sperimentale, restituendo la frequenza fondamentale f 0 nel campo Hz. I profili 7 e 8, inoltre, ben colgono anche il secondo picco mostrato dalle misure di rumore ambientale, di ampiezza sensibilmente inferiore al primo, e generalmente situato nel campo Hz. Nelle analisi numeriche finalizzate alla stesura della carta di livello 3 è stato deciso di assumere per le argille MVA il gradiente corrispondente al profilo 7, secondo il quale la V S varia tra 550 e 650 m/s mentre il valore di 800 m/s è raggiunto ad una profondità di circa 530 m dal piano campagna. 5.4 Scelta dell input sismico La scelta dell input sismico per il centro storico di Roma è avvenuta secondo approcci metodologici di tipo sia deterministico sia probabilistico. Lo studio ha condotto alla definizione di differenti spettri di risposta in accelerazione al 5% di smorzamento. Con riferimento all approccio deterministico, si è fatto riferimento a due terremoti di scenario caratteristici per la città di Roma. Il primo è caratterizzato da una sorgente ubicata nel bacino del Fucino, denominata ITIS002 nel DISS (Database of Individual Seismogenic Sources, avente magnitudo massima M=7 e distanza epicentrale da Roma pari a d=85 km. Tale sorgente è rappresentativa del terremoto di Avezzano del 1915 che è quello che ha prodotto i maggiori risentimenti macrosismici documentati per Roma (I MCS =VII). Il secondo è rappresentativo della sismicità (più bassa ma più frequente) della zona dei Colli Albani ed è associato alla struttura sismogenetica ITMP129 nel DISS (M=5.5, d=20 km). Per entrambi i terremoti di scenario, sono stati generati i corrispondenti spettri di risposta dell accelerazione attraverso la relazione di attenuazione di Sabetta e Pugliese (1996). Per quanto riguarda l approccio probabilistico sono stati considerati gli spettri a pericolosità uniforme derivanti dallo studio dell INGV del 2004 (pubblicato sulla G.U. del 11/05/06). In particolare si è fatto riferimento allo spettro su sottosuolo rigido (V S 800 m/s), corrispondente alla classe di sottosuolo A delle Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC08) per un periodo di ritorno di 475 anni. Lo spettro probabilistico è stato utilizzato per simulare accelerogrammi spettrocompatibili col programma Belfagor (Mucciarelli et al. 2004). Per gli spettri deterministici sono stati simulati accelerogrammi non stazionari col software sviluppato da Sabetta e Pugliese (1996). Questi accelerogrammi possono essere utilizzati, congiuntamente con alcune registrazioni selezionate sulla base di criteri sismologici (Pagliaroli et al. 2011), come segnali di input per analisi di risposta locale nell area considerata. Le analisi di risposta sismica locale presentate di seguito, si riferiscono ad un accelerogramma spettrocompatibile con lo spettro INGV L accelerogramma è caratterizzato da un accelerazione di picco pari a 0.12g e una massima accelerazione spettrale di 0.34g in corrispondenza del periodo 0.15s. 5.5 Analisi numeriche di risposta locale Analisi bidimensionali sono state effettuate tramite il codice ad elementi finiti QUAD4M (Hudson et al. 1994), basato su un modello viscoelastico lineare equivalente, su sette profili rappresentativi delle condizioni morfologiche e litostratigrafiche del colle Palatino e delle aree limitrofe. Per limitare i tempi di calcolo, nel modello 2D non è stato incluso l intero spessore di argille della MVA (oltre 500 m), ma soltanto uno strato di circa 100 m non dissipativo di MVA caratterizzate da V S =550 m/s. L input da applicare al modello è stato derivato da una analisi lineare equivalente 1D eseguita con Proshake su una colonna di MVA caratterizzata dal gradiente di rigidezza corrispondente al profilo 7. In tal modo il segnale è stato convoluto da un affioramento caratterizzato da V S =800 m/s (cui si riferisce l input sismico) ad uno avente V S =550 m/s e, quindi, direttamente applicabile al modello 2D. A titolo esemplificativo nel seguito sono riportati i risultati relativi alle analisi eseguite sul solo profilo 2 (Fig. 1), che si estende per circa 1 km attraversando l intero plateau del colle Palatino fino alle zone di fondovalle a WNW (via di San Teodoro-Fosso del Velabro) e ESE (via di San Gregorio-Fosso Labicano). I risultati delle analisi 2D sono stati elaborati in termini di profili dell accelerazione orizzontale di picco (PGA) e dell intensità di Housner (integrale dello spettro di pseudo-velocità per smorzamento strutturale pari a 5%) in differenti campi di valori del periodo ( , e s). Dividendo tali parametri calcolati alla superficie della sezione per i corrispondenti valori relativi al moto di riferimento al basamento sismico (affioramento con V S =800 m/s) è stato possibile determinare i corrispondenti profili dei fattori di amplificazione. L andamento della PGA

10 e dei fattori di amplificazione di Housner è riportato in Figura 7. Sul pianoro del colle Palatino l accelerazione di picco mostra leggere fluttuazioni ad indicare limitati effetti bidimensionali, evidenziando comunque un leggero incremento (mediamente da 0.12 a 0.14g) procedendo in direzione ESE. Al contrario, in corrispondenza dei bordi del colle e delle valli alluvionali recenti dei fossi Labicano e Velabro (strato #2) gli effetti bidimensionali associati alla topografia e alla morfologia sepolta determinano sensibili variazioni spaziali della PGA: in corrispondenza del centro delle valle alluvionale (Zona 4 di fondovalle nella carta di MS di livello 1) la PGA raggiunge 0.16g mentre nelle zone di piede del colle (Zona 1) si hanno valori anche inferiori a 0.1g. Le amplificazioni in corrispondenza delle valli sono dovute al contrasto di impedenza tra i terreni delle argille marnose (#8) e delle ghiaie (#6 e #7) e le sovrastanti coperture rappresentate dai depositi alluvionali (SFTba2,3 #2) e antropici (#1), accentuati con tutta probabilità da effetti di valle (generazione di onde di superficie, fenomeni di focalizzazione o risonanza 2D). I bassi valori di PGA calcolati nelle zone di piede del colle (Zona 1) possono essere attribuiti almeno in parte a deamplificazioni dovute ad effetti topografici. In termini di fattori di amplificazione, i tre parametri (FH , FH , FH ) mostrano andamenti piuttosto diversi tra loro sia dal punto di vista sia qualitativo che quantitativo, evidenziando l effetto filtro che i terreni e le rocce tenere esercitano sul moto sismico, deprimendo alcune frequenze ed esaltandone altre. Il fattore FH si mantiene pressoché costante sul pianoro del colle Palatino, con valore medio pari a 1.15, senza apprezzabili differenze tra la zona NW (Zona 2, multilayer vulcanosedimentario completo) e quella SE (Zona 3, paleovalle sepolta). Valori più elevati del fattore di amplificazione, dell ordine di , sono raggiunti in corrispondenza delle zone di fondovalle del Fosso Labicano e del Velabro (zona 4), mentre sensibili deamplificazioni si osservano alla base del colle specie nel lato prospiciente via di San Teodoro (Zona 1). Il fattore FH evidenzia invece un massimo ( ) in corrispondenza della paleovalle sepolta del FTR (zona 3). Gli elevati spessori della formazione di riempimento dell incisione e dei sovrastanti riporti (complessivamente oltre 50 m), caratterizzate da una V S mediamente poco superiore a 300 m/s, determinano fenomeni di amplificazione a valori del periodo maggiori di 0.5s, probabilmente accentuati da effetti di valle. Valori più modesti sono riscontrati in corrispondenza delle incisioni vallive recenti di fondovalle che agiscono principalmente, stante le ridotte dimensioni, su frequenze più elevate. Il fattore FH mostra blande fluttuazioni nell area in esame con modeste amplificazioni (1.2) nell area della paleovalle sepolta e valori prossimi all unità nelle restanti aree. In definitiva i risultati delle modellazioni numeriche confermano che le zone 3 e 4 della carta di livello 1 sono quelle caratterizzate da maggiore amplificazione, entrambe con fattori di anche se riferiti a differenti intervalli di frequenza: basse (zona 3) e alte (zona 4). La zona 2 è caratterizzata da modesti valori del fattore di amplificazione ( in tutto il campo di frequenza) mentre la zona 1 viene confermata come la meno suscettibile a fenomeni di amplificazione locale: le analisi numeriche restituiscono fattori minori di 1 (deamplificazione) in ampi settori della stessa. In Figura 8 sono infine riportati gli spettri di risposta calcolati in punti significativi alla superficie del modello: A = Fosso del Velabro; B = chiesa di San Teodoro; C = pianoro colle Palatino, lato occidentale; D = Aula Regia; E = chiesa di San Bonaventura; F = Fosso Labicano. Dal confronto con lo spettro di input si osserva che, ad eccezione del sito B dove si verificano deamplificazioni del moto sismico in tutto il campo di periodi, le ordinate spettrali in tutti i siti selezionati sono sensibilmente superiori a quelle di input nel campo T> 0.2s. I massimi valori di ordinate spettrali, dell ordine di g, si verificano in corrispondenza delle valli alluvionali (siti A e F), dove il moto è amplificato fino a circa 3 volte rispetto allo spettro di input. Picchi di 0.5g sono raggiunti anche nel sito E (chiesa di San Bonaventura), nel quale si osservano altresì importanti fenomeni di amplificazione (oltre 2 rispetto all input) a periodi di circa s. Nei siti C e D i picchi delle ordinate spettrali si mantengono generalmente al di sotto di 0.4g, con amplificazioni spettrali massime di circa 1.6 rispetto al segnale di input. In Figura 8, per confronto, sono riportati gli spettri di normativa (NTC08) previsti per il centro storico di Roma per le categorie di sottosuolo A, B e C, con riferimento ad un tempo di ritorno di 475 anni. I sei punti selezionati lungo il profilo 2 ricadono nelle categorie B (punti B, C) e C (punti A, D, E e F), presentando valori di V S,30 compresi tra 280 (punto A) e 420 m/s (punto B).

11 Figura 7. Profili dell accelerazione di picco (PGA) e dei fattori di amplificazione FH alla superficie del profilo 2 da analisi numeriche bidimensionali (2D); nella parte bassa è mostrata la mesh agli elementi finiti adottata per la simulazione. 1: h; 2: SFTba2,3; 3:VSN1a; 4: PTI-PPT; 5: FTR2,3-VGU2-VSN1b-CIL2; 6: FTR1; 7: CIL1; 8: MVA. Figura 8. Spettri di risposta dell accelerazione in punti significativi del profilo 2 calcolati da analisi numeriche bidimensionali. Si osserva che per i punti B e D la normativa tende a fornire spettri più gravosi di quelli forniti dalle analisi numeriche mentre per i siti C e D, ubicati sul pianoro del colle Palatino, gli spettri presentano un sostanziale accordo. Per i due punti ubicati nella zone di fondovalle (A e F), le forme spettrali tendono a differire in modo apprezzabile: i picchi spettrali calcolati sono sensibilmente maggiori di quelli di normativa nel campo s, mentre per T>0.6s lo spettro calcolato si abbatte sensibilmente rispetto ai valori di normativa. 6 OSSERVAZIONI CONCLUSIVE La memoria sintetizza i risultati dello studio multidisciplinare di microzonazione sismica dell area archeologica centrale di Roma comprendente il Colle Palatino, i Fori e il Colosseo. Viene dapprima presentata la carta di livello 1, realizzata sulla base essenzialmente dei dati litostratigrafici e morfologici, nella quale l area in esame è stata suddivisa in quattro differenti zone stabili suscettibili di amplificazioni locali del moto sismico, caratterizzate da profili litostratigrafici tipici. La carta individua anche le aree suscettibili di instabilità nelle quali cioè gli effetti sismici attesi sono riconducibili a deformazioni permanenti del terreno. Tali aree sono generalmente localizzate lungo le pendici più acclivi dei colli Palatino e limitrofi, e fanno riferimento essenzialmente alla possibile occorrenza di fenomeni di crollo, ribaltamento e scivolamento di blocchi tufacei. Una estesa campagna di indagine multidisciplinare realizzata nel 2010 ha consentito di raggiungere un elevato livello di approfondimento nella definizione del modello geologico e nella caratterizzazione geofisica e geotecnica dei materiali, conducendo alla definizione del modello di sottosuolo per l esecuzione di analisi di risposta locale. Queste sono propedeutiche alla realizzazione della carta di microzonazione di livello 3, attualmente in fase di ultimazione. Le analisi numeriche 2D hanno sostanzialmente confermato la zonazione di livello 1, evidenziando modesti fenomeni di

12 amplificazione locale, le cui conseguenze possono tuttavia essere importanti su beni archeologici e monumentali caratterizzati generalmente da una elevata vulnerabilità, dovuta al naturale decadimento delle caratteristiche meccaniche dei materiali che li costituiscono. In particolare, sul pianoro del colle Palatino il fattore di amplificazione (definito in termini di intensità di Housner) si mantiene pressoché costante, con valore medio pari a 1.15 nel campo di periodi s mentre sale a 1.6 tra s al bordo SE del pianoro, in corrispondenza di una estesa paleovalle sepolta. Valori di , sono raggiunti dal fattore di amplificazione tra s nelle zone di fondovalle in corrispondenza del Fosso Labicano e del Velabro, dove alla minore rigidezza dei depositi alluvionali recenti e dei depositi antropici si associano con tutta probabilità effetti bidimensionali di valle. Nell articolo sono infine illustrati, gli spettri di risposta dell accelerazione calcolati in alcuni siti di particolare interesse, alcuni dei quali mostrano sensibili differenze con l azione sismica prevista dalla normativa vigente per la corrispondente categoria di sottosuolo. Gli spettri calcolati possono essere utilizzati per la progettazione di eventuali interventi di miglioramento sismico dei beni archeologici e monumentali. RINGRAZIAMENTI Gli autori ringraziano la Soprintendenza Speciale per i Beni Archeologici di Roma, la struttura del Commissario Delegato per le Aree Archeologiche di Roma e Ostia Antica, la società Roma Metropolitane e Roma Capitale. BIBLIOGRAFIA Castenetto, S., Corazza, A., Di Luzio, E., Moscatelli, M., Naso, G., Stigliano, F., La microzonazione sismica dell area archeologica Palatino-Fori-Colosseo. In R. Cecchi (Ed.), Roma Archæologia, Interventi per la tutela e la fruizione del patrimonio Archeologico, secondo rapporto, Mondadori Electa, Milano, Cavinato, G.P., et al Assetto geologico e idrogeologico del Colle Palatino Valutazione delle pericolosità geologiche. In: R. Cecchi (Ed.), Roma archaeologia. Interventi per la tutela e la fruizione del patrimonio archeologico; secondo rapporto, Mondadori Electa, Milano, D Elia, B., Lanzo, G., Pagliaroli, A Small-strain stiffness and damping of soils in a direct simple shear device. 7th Pacific Conference on Earthquake Engineering, Christchurch, New Zealand, Febbraio, CD Rom, Paper No EduPro Civil System, Inc., ProShake Ground Response Analysis Program, Redmond, WA. Gruppo di lavoro MS Indirizzi e criteri per la microzonazione sismica. Conferenza delle Regioni e delle Province autonome Dipartimento della Protezione Civile, Roma, 3 volumi e 1 Cd-rom. Hatanaka, M., Suzuki, Y., Kawasaki, T., Endo, M. (1988). Cyclic undrained shear properties of high quality undisturbed Tokyo gravel. Soils and Foundations, 28(4), Hudson, M., Idriss, I.M., Beikae,M Quad4M-A computer program to evaluate the seismic response of soil structures using finite element procedures and incorporating a compliant base. Univ. of California, Davis. Mancini, M., Moscatelli, M., Corazza, A., Pagliaroli, A., Stigliano, F., Simionato, M., Tommasi, P., Cavinato, G. P., Piscitelli, S., Marini, M., Giaccio, B., Sottili, G Assetto geologico, idrogeologico e geotecnico dell area archeologica comprendente colle Palatino, Fori e Colosseo - Aggiornamento alla luce dei risultati della nuova campagna di indagini. In: R. Cecchi (Ed.), Roma archaeologia. Interventi per la tutela e la fruizione del patrimonio archeologico; terzo rapporto, Mondadori Electa, Milano (in stampa). Moscatelli, M., et al. 2011a. Metodologie di indagine per la valutazione della pericolosità sismica locale dell Area archeologica centrale di Roma. XIV Convegno Nazionale L Ingegneria Sismica in Italia. Moscatelli, M., Castenetto, S., Naso, G., Mancini, M., Quadrio, B., Peronace, E., Stigliano, F., Marcucci, S., Famiani, D., Pagliaroli, A., Cavinato, G.P. 2011b. Microzonazione sismica di livello 1 dell area archeologica comprendente colle Palatino, Fori e Colosseo Aggiornamento a seguito delle nuove campagne di indagine. In: R. Cecchi (Ed.), Roma archaeologia. Interventi per la tutela e la fruizione del patrimonio archeologico; terzo rapporto, Mondadori Electa, Milano (in stampa). Mucciarelli, M., Spinelli, A., Pacor, F Un programma per la generazione di accelerogrammi sintetici fisici adeguati alla nuova normativa. XI Convegno Nazionale L Ingegneria Sismica in Italia. Pagliaroli, A., Quadrio, B., Sanò, T., Sabetta, F., Castenetto, S., Naso, G., Moscatelli, Lanzo, G., Di Fiore, V Risposta sismica locale dell area archeologica comprendente il colle Palatino, i Fori e il Colosseo. In: R. Cecchi (Ed.), Roma archaeologia. Interventi per la tutela e la fruizione del patrimonio archeologico; terzo rapporto, Mondadori Electa, Milano (in stampa). Sabetta, F., Pugliese, A., Estimation of response spectra and simulation of non stationary earthquake ground motion. Bull. Seism. Soc. Am., 86, Signorini, R., Risultati geologici della perforazione eseguita dall'agip alla mostra autarchica del minerale nel Circo Massimo di Roma. Bollettino della Società Geologica Italiana, 58,