LA MICROZONAZIONE SISMICA DELL AREA URBANA DI UMBERTIDE

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1 UNIONE EUROPEA Fondo Europeo di Sviluppo Regionale LA MICROZONAZIONE SISMICA DELL AREA URBANA DI UMBERTIDE A cura di Andrea Motti Enti promotori Servizio Geologico e Sismico Comune di Umbertide

2 Gruppo di lavoro Angela Antoniucci (Comune di Umbertide - libera professionista) Lorenzo Antoniucci (Comune di Umbertide) Michele Arcaleni (Osservatorio Sismico Andrea Bina, Perugia) Marco Barluzzi (Regione Umbria Servizio Geologico e Sismico) Stefano Bisogno (Regione Umbria Servizio Geologico e Sismico) Fabrizio Bonucci (Comune di Umbertide) Arnaldo Boscherini (Regione Umbria Servizio Geologico e Sismico) Francesco Brunelli (Comune di Umbertide - libero professionista) Grazia Caielli (CNR-IDPA di Milano) Massimo Compagnoni (Politecnico di Milano) Roberto De Franco (CNR-IDPA di Milano) Andrea Motti (Regione Umbria Servizio Geologico e Sismico) Norman Natali (Regione Umbria Servizio Geologico e Sismico) Floriana Pergalani (Politecnico di Milano) Roberto Pucci (Comune di Umbertide - libero professionista) Gianluigi Simone (Regione Umbria Servizio Geologico e Sismico) ISBN:

3 INDICE 1 Premessa pag. 5 2 Articolazione del progetto e soggetti attuatori pag. 9 pag. 11 pag Moto di input sismico pag Stima della risposta di sito da dati sismometrici pag Modellazioni numeriche pag Spettri di risposta e Norme Tecniche per le Costruzioni pag Zone a comportamento sismico omogeneo e carte di microzonazione sismica pag Dati georeferiti pag Considerazioni conclusive pag Abstract pag. 95 pag. 97 ALLEGATI CONTENUTI NELLA PENDRIVE

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5 6 - STIMA DELLA RISPOSTA SISMICA DI SITO DA DATI SISMOMETRICI 6 Stima della risposta sismica di sito da dati sismometrici E. Priolo 1, R. de Franco 2, C. Barnaba 1, G. Boniolo 2, G. Caielli 2, A. Corsi 2, G. Laurenzano 1, A. Morrone 2, P. Ragazzo 2, M. Romanelli 1, A. Tento 2 In questo capitolo sono illustrate le campagne - cative della città di Umbertide e di alcuni siti in località del territorio comunale. Lo studio è stato svolto congiuntamente dall OGS, Sezione dal CNR, Istituto per la Dinamica dei Processi Ambientali (IDPA). Il capitolo si articola nelle seguenti tre parti: 1) Stime di rapporti spettrali H/V da registrazioni di rumore sismico ambientale; 2) Stime della risposta spettrale di sito da registrazioni di terremoti; - di tutte le stazioni di misura che si riferiscono ai diversi tipi d indagine effettuati. Rapporti spettrali H/V da misure di rumore sismico ambientale. L indagine basata sull acquisizione e analisi di rumore ambientale ha lo scopo di fornire indicazioni sulla distribuzione cale con particolare riferimento all individuazione della frequenza fondamentale e, di ausilio, per integrare ed estendere arealmente le am- registrazioni di terremoti. L intervento, svolto dall IDPA, ha riguardato: 83 siti ubicati all interno dell area urbana di Umbertide secondo una griglia approssimativamente regolare; circa 12 siti situati in aree periferiche; un acquisizione lungo un array lineare composto da 5 stazioni li orientati sudovest-nordest che coprono tutta l area urbana di Umbertide. Oltre alle misure effettuate dall IDPA, sono state poi rese disponibili una ventina di misure aggiuntive effettuate dall OGS nel territorio del comune. Per l acquisizione delle misure di rumore sismico, l IDPA ha utilizzato tre acquisitori digitali di tipo Lennartz M24/LP a 24 bit sincronizzati mediante ricevitore GPS ed equipaggiati con sensore velocimetrico a tre componenti di tipo Lennartz 5 secondi con risposta in frequenza lineare tra 0.2 e 40 Hz. Invece, le misure aggiuntive effettuate dall OGS sono state ac- dettagliata e completa delle misure effettuate, delle procedure di elaborazione e dei risultati ottenuti, nonché di tutto il materiale prodotto, si rimanda al Rapporto Conclusivo dello studio (Priolo et al., 2013). Qui è illustrata solo una sintesi dei risultati. spaziale delle frequenze e delle ampiezze dei picchi dei rapporti spettrali H/V stimate in tre differenti bande corrispondenti alle alte, medie e basse frequenze (rispettivamente 8-20 Hz, 1-8 Hz e Hz). 1-2 CNR, Istituto per la Dinamica dei Processi Ambientali (IDPA), Milano 37

6 LA MICROZONAZIONE SISMICA DELL AREA URBANA DI UMBERTIDE Figura 6.1 Mappa dell area studio (in alto mappa generale, in basso il dettaglio dell area urbana, delimitata dalla curva bianca). I siti delle stazioni di registrazione dei terremoti sono indicati dai quadrati rossi (i tre siti di riferimento sono evidenziati in bianco). I siti di registrazione del rumore sismico ambientale sono indicati dai simboli in giallo (misure eseguite dall IDPA) e in verde (misure aggiuntive eseguite dall OGS). In magenta le 38

7 6 - STIMA DELLA RISPOSTA SISMICA DI SITO DA DATI SISMOMETRICI Figura 6.2 Distribuzione della frequenza e dell ampiezza del picco H/V nelle bande di alta, media e bassa fre- in alto a sinistra mostra l ubicazione e il nome dei siti misurati. La rappresentazione è in coordinate chilometriche. I rapporti spettrali H/V si presentano spesso in forma bi-modale, con un nodo la cui frequenza varia da sito a sito ma si posiziona in genere fra 1.2 Hz e 2 Hz. La risposta in bassa frequenza (valori inferiori a 1.2 Hz) è interpretata con la presenza di una discontinuità alla scala del bacino, verosimilmente posta a una profondità maggiore di 50 m e caratterizzata da un buon contrasto d impedenza. La risposta a frequenze variabi- picchi, è legata generalmente alla presenza di discontinuità con basso contrasto di impedenza e bassa eterogeneità laterale nei primi m. giore interesse ingegneristico. Mentre il lobo in bassa frequenza è presente nella maggior parte dei siti, anche esternamente all area urbana d altro canto, trattandosi di discontinuità più profonde è verosimile che queste caratterizzino quenza medio-alta (1-8 Hz) è molto debole, se non addirittura inesistente, all interno del bacino, mentre diventa più marcato lungo i margini esterni del bacino in direzione sudovest e nordest. Un andamento simile si riscontra nella banda in alta frequenza (8-20 Hz), dove i picchi H/V sono in genere di modesta entità eccetto che localmente per alcuni siti. Ciò avvalora l interpretazione di uno spessore dei sedimenti alluvionali che si riduce progressivamente verso il bordo. Stima della risposta di sito da registrazioni di terremoti. smica locale è stata realizzata una rete temporanea di stazioni sismometriche, per un totale di 20 siti, di cui 3 scelti come siti di riferimento. Quest attività è stata svolta dall OGS, che si è avvalso della collaborazione dell Osservatorio Sismico Andrea Bina di Perugia per la gestione le posizioni delle stazioni, mentre la tabella 6.1 zione simile, consistente in acquisitore digitale a nenti Lennartz 3D Lite-1s con periodo proprio di 1s. Il periodo di acquisizione è stato suddiviso in due fasi: un primo gruppo di 10 stazioni, tutte collocate all interno del perimetro urbano di Umbertide eccetto che per due siti di riferimento, 39

8 LA MICROZONAZIONE SISMICA DELL AREA URBANA DI UMBERTIDE sono rimaste in acquisizione nel periodo marzo-settembre 2012, mentre un secondo gruppo di 12 stazioni, posizionate all esterno dell area urbana, sono rimaste in acquisizione nel periodo settembre febbraio Due stazioni di riferimento sono state mantenute per entrambi i periodi per collegare i due periodi di rilevazione. Il reperimento di siti di riferimento è stato uno degli aspetti critici di questo studio, poiché non si trovavano siti con caratteristiche adatte a breve distanza da Umbertide. Attraverso delle fasi di scouting sono stati selezionati dei siti (due per la prima fase e uno aggiuntivo per la seconda) posti fuori dall area urbana. Questi siti sono stati utilizzati insieme, creando un sito di riferimento virtuale. L estrazione delle registrazioni di terremoti dai dati di forme d onda in continuo è effettuata sulla base della lista degli eventi del Bollettino INGV, 2010) in conformità a criteri di selezione empirica. Le forme d onda estratte sono quindi raccolte e organizzate per ogni stazione e ogni singolo evento. La prima fase di registrazione è stata caratterizzata dall intensa sequenza sismica emiliana, che è stata registrata integralmente. La seconda fase, si presenta maggiormente caratterizzata da eventi regio- 6.3 mostra la localizzazione degli eventi utilizzati complessivamente durante le due fasi. Per ogni sito sono state calcolate le curve di ti spettrali rispetto al sito di riferimento. E stata applicata una tecnica d inversione generalizzata ( ; Andrews,1986), che permette l uso di registrazioni asincrone, ovvero anche di eventi non registrati in contemporanea dal sito investigato e dai siti di riferimento. Considerando la tipologia di sismometri a corto periodo usati (Lennartz questo studio, la banda di frequenza generalmente risolta è Hz. In generale, per la maggior parte dei siti, si riconosce una coerenza tra le varie curve di ampli- molto elevato, in particolare a frequenze minori di 1 Hz. Presso alcuni siti, alcune registrazioni sono affette da segnali di natura locale. Queste situazioni possono essere corrette manualmente solo in alcuni casi, mentre in altri una parte della misura in alta frequenza è scartata. Questo è il caso di tre siti che si trovano fuori dall area urbana di Umbertide: UM12, UM13, UM15 e UM20. - indicato il periodo di operatività delle stazioni e il numero di eventi registrati da ogni stazione effettivamente utilizzato per calcolare la risposta di sito. In grigio sono evidenziati i tre siti di riferimento. 40

9 6 - STIMA DELLA RISPOSTA SISMICA DI SITO DA DATI SISMOMETRICI Figura Mappa degli eventi utilizzati per il calcolo dei rapporti spettrali alle singole stazioni. I colori rosso e blu corrispondono rispettivamente alla Fase 1 e 2 di acquisizione. - La procedura adottata per il calcolo degli spettri di ri- - Essa si articola nei seguenti passi: 1) selezione dei terremoti di progetto (5 storie temporali); 2) calcolo delle accelerazioni al sito attraverso convoluzione delle storie temporali in input con calcolo degli spettri di risposta; 4) calcolo dello spettri di progetto. Per consentire il confronto dei risultati del presente studio con quelli delle modellazioni numeriche, le 5 storie temporali selezionate come input sismico sono le medesime scelte da Pergalani e Compagnoni (capitolo 5) per il loro studio. Dalla convoluzione di ognuna delle serie temporali assunte come azione sismica con le am- no ottenuti gli spettri di risposta e lo spettro di mostra come esempio lo spettro calcolato per le cinque classi di suolo A, B, C, D ed E, e lo spettro medio dell azione sismica utilizzata per il calcolo, corrispondente alla media degli spettri di risposta dei sismogrammi adottati come azione sismica di riferimento. Gli spettri lisciati sono ottenuti mediante lisciatura degli spettri ra aderente a quanto riportato negli Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica (Gruppo di Lavoro MS, 2008). Essa prevede, tra l altro, che gli spettri di risposta di sito siano preventivamente sottoposti a uno smoothing in modo a sinistra mostra, come esempio, lo spettro di risposta di accelerazione lisciato stimato per il medesimo sito UM05, che è uno dei siti mag- noti come, per questo sito, sia l accelerazione di ancoraggio sia il valore di plateau eccedono tutti gli spettri previsti da normativa per tutti i tipi circa s in poi lo spettro si avvicina molto a quello di normativa per la classe di sottosuolo C. Figura 6.4 Rapporti spettrali stimati con il metodo Figura 6.5 di sito calcolato con la procedura descritta nel testo. Sito UM05, Distretto sanitario. Curve verde spessa: sa) e più/meno la prima deviazione standard (curve sottili). Curve sottili colorate: spettri di progetto di media ± deviazione standard dell azione sismica adottata (uguale alla media degli spettri di risposta delle storie accelerometriche assunte come rappresentative dell azione sismica). 41

10 LA MICROZONAZIONE SISMICA DELL AREA URBANA DI UMBERTIDE colate dal rapporto tra gli spettri di risposta in ac- sta medio relativo all azione sismica utilizzata in input. Queste sono, a nostro parere, le quantità più importanti per la valutazione della risposta sono essere confrontate direttamente con le am- le differenti classi di suolo. il sito UM05. Si riconosce un moderato livello di circa 1s, che però decade rapidamente per periodi più elevati. stimate per tutti i siti. Si può notare come per i periodi superiori a s le risposte rientrino tutte all interno delle classi di sito standard, mentre per zioni elevate, ben al di sopra di quelle previste da normativa. Si ricorda, tuttavia, che per quattro siti - forti sono relative a tre di questi siti. - I fatto- come media dei rapporti tra l intensità di Housner (SI) delle storie accelerometriche ottenute al singolo sito rispetto alle SI dei singoli terremoti selezionati in input, per le tre seguenti bande di periodi: 1) s; 2) s; 3) s. La Figura 6.8 mostra la distribuzione dei fattori di bande considerate. In tutte le immagini si riconosce un elevatissima coerenza spaziale, con procedendo da sudovest verso nordest. cedura descritta nel testo. Sito UM05, Distretto sanitario. A sinistra: spettro di risposta di accelerazione lisciato per le varie classi di suolo (cfr. Fig. 6.5 per dettagli). nee di vario colore) stimate per tutti i siti misurati a 42

11 6 - STIMA DELLA RISPOSTA SISMICA DI SITO DA DATI SISMOMETRICI ne (Fa) calcolato rispetto al sito di riferimento virtuale I tre pannelli mostrano le mappe ottenute per le tre bande di periodi considerati: Fa1) s; Fa2) s; Fa3) s. Sono indicati i siti e i nomi delle stazioni di misura. Indagini di velocità delle onde S. Il CNR-I- - stata utilizzata una strumentazione a 48 canali costituita da 2 acquisitori digitali Geode Geometrics a 24 canali e a 24 bit gestiti da una unità centrale Stratavisor-NZ Geometrics. I cavi sono stati strumentati con 48 geofoni verticali con frequenza propria di 4.5 Hz. Per la tecnica guita utilizzando una mazza da 5 kg. Si è usato un campionamento a 1000 Hz e una lunghezza delle tracce di 2 s. Per quanto riguarda il metodo Remi, per ogni sito sono state acquisite almeno tre registrazioni passive di microtremori con lunghezza di registrazione di 29 s. I dati acquisiti nella idonei al loro trattamento mediante il metodo sismico a rifrazione. Nel caso particolare, oltre all applicazione del metodo standard del tempo intercetto e del metodo Plus-Minus, si è utilizzata la tecnica di imaging multi rifrattore basata sullo stack di sezioni a rifrazione convolute (Stacked Refracted Convolution Section - SRCS consente la costruzione di sezioni sismiche in tempi intercetti e/o convertite in profondità del tutto analoghe a quelle ottenibili con le tecniche standard di trattamento dei dati di sismi- tale tecnica consente di ricostruire non solo il modello ma anche di fornire informazioni bidimensionali circa gli attributi che caratterizzano le interfacce rifrangenti (geometrie, velocità e ampiezze). L analisi a rifrazione qui utilizzata, limitata alla sola fase P, fornisce utili informa- caratteristica è soggetta a una minore accura- mati per i tre siti investigati. In due casi (siti del locità delle onde S che mostrano la presenza di per i quali si può stimare un valore di VS30 che si colloca al limite inferiore della classe B. Nel velocità Vs mostra la presenza di un gradiente continuo e l assenza di contrasti d impedenza pone il sito in classe B in modo univoco. 43

12 LA MICROZONAZIONE SISMICA DELL AREA URBANA DI UMBERTIDE Discussione. giche effettuate hanno lo scopo di fornire dati ed elementi quantitativi utili alla microzonazione. In prima battuta, le mappe H/V e dei fattori Fa sembrerebbero fornire indicazioni apparentemente discordanti: la distribuzione dei picchi di risonanza HVSR indicherebbero una mancanza di una chiara frequenza di risonanza nella banda di interesse ingegneristico dominante nel centro del bacino, mentre i fattori di aumento da sudovest a nordest, con valori ele- forniscono una buona chiave di lettura: molte aree sono caratterizzate da suoli con velocità anche bassa, ma che aumenta gradualmente con la profondità senza però la presenza di un contrasto d impedenza elevato alla base. Per tali suoli, manca una frequenza di vibrazione propria ben delineata, tuttavia il moto del suolo di frequenze Hz ( s). 44

13 13 - BIBLIOGRAFIA 13 AA.VV Indirizzi e criteri per la microzonazione sismica. Presidenza del Consiglio dei Ministri, Dipartimento della Protezione Civile-Conferenza delle Regioni e delle Province autonome. Roma, settembre AA.VV Foglio geologico 299 Umbertide. ISPRA-Servizio Geologico d Italia e Re- AA.VV Note Illustrative foglio geologico 299 Umbertide. ISPRA-Servizio Geologico SistemCart. Andrews, D. J.; Objective determination of source parameters and similarity of earthquakes of different sizes, in Earthquake Source Mechanics, S. Das, J. Boatwright, and C. H. Scholz (Editors), American Geophysical Arias A.,1969. A measure of earthquake intensity. Seismic design for nuclear power plants. R. J. Hansen ed., Massachusetts Institute of Barsella M., Boscherini A., Botti F., Marroni M., Meneghini F., Motti A., Calandri S., Pan- Foredeep deposits at the transitino between the tuscan and Umbria-Romagna domains in the Trasimeno lake area (central Italy): insights in the oligo-miocene northern apennine evolution. Italian Journal of Geosciences 128 (2). Boscherini A., Motti A. et alii-2011, La microzonazione sismica della Città di Perugia. Congresso della Regione Umbria e del Comune di - Callerio A., Petrini V., Pergalani F., ELCO, A program for two-dimensional analyses using boundary element method. Rappor- laboratorio per la microzonazione sismncia dell area urbana di Umbertide. Presente progetto. Indagini geotecniche per la valutazione degli effetti di sito in alcuni centri dell Alta Valtiberina. Firenze. De Franco R.; Multi-refractor imaging with stacked refraction convolution section. Geophys. Prosp. 53 (3), De Franco R.; Refractor velocity analysis: a signal processing procedure. Geophysical Prospecting 59, gia-aa.vv Risorse geotermiche nell alta valle del Tevere: studio geologico integrato di una sorgente e valutazione delle ulteriori potenzialità. Fondazione Cassa di Risparmio di Perugia. 26 novembre Gruppo di Lavoro Redazione della mappa di pericolosità sismica prevista dall Ordinanza PCM 3274 del 20 marzo Rapporto conclusivo per il Dipartimento di Protezione Civile, INGV, Milano-Roma, pp appendici, aprile Sondaggi a carotaggio continuo per il sito di Umbertide. GeoStudi, Prove geotecniche di laboratorio per il sito di Umbertide. strong motion earthquakes. Proceeding of the symposiucm on Earthquake and Blast effects on Structures. Earthquake Engineering Research Institute, 322 pp. Hudson M.B., Idriss I.M., Beikae M., QUAD4M, A computer program for evaluating the seismic response of soil structure by. Report of Dip. of Civil & Environmental Eng., University of California, Davis. Husid R. L. (1969) Analysis de terremotos. Annals general del IDIEM, Santiago, Chile, 8. del 4 febbraio 2008, Supplemento Ordinario Roma ( Idriss I.M., Sun J.I., User s manual for SHAKE91, A computer program for conducting equivalent linear seismic response analyses of horizontally layered soil deposits. 97

14 LA MICROZONAZIONE SISMICA DELL AREA URBANA DI UMBERTIDE Report of Dip. of Civil & Environmental Eng., University of California, Davis. Italian Seismological Instrumental and parametric database: Prove geotecniche di laboratorio per il sito di Perugia. Indagini sismiche tipo DH per il sito di Umbertide. le, n. 29 del 4 febbraio 2008, Supplemento dello Stato, Roma ( Regione Umbria-Servizio Geologico e Sismi- vettoriale della Regione Umbria in territorio.regione.umbria.it/ e in umbriageo.regione.umbria.it. Regione Umbria-Servizio Geologico e Sismi- locale informatizzata vettoriale della Regione Umbria Regione Umbria-Boscherini A., Checcucci R., Motti A., Ponziani F Progetto per la realizzazione di una zonazione della pericolosità sismica locale/area campione: alta Valtiberina umbra. Relazione di sintesi. Petruzzi, Città di Castello. Saragoni R., Holmberg A., Saez A.,1989. Potencial destructivo y destructividad del terremoto del Chile de Proceedings Sas. Jorn. Chilenas de Sismilogia y Ing. Antisismica, August 1989, vol. 1, Sondaggi e indagini sismiche tipo DH per il sito di Perugia. the duration of strong ground motion. Bull. Seiscm Soc. Am., 65. the Italian strong motion records: mi.ingv.it. 98

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16 Finito di stampare nel mese di Febbraio 2014