VALUTAZIONE PRELIMINARE DELLA RISPOSTA SISMICA LOCALE DEL BACINO DI SULMONA

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1 VALUTAZIONE PRELIMINARE DELLA RISPOSTA SISMICA LOCALE DEL BACINO DI SULMONA F. Di Buccio, V. Aprile, A. Pagliaroli*, A. Di Domenica, A. Pizzi Dipartimento di Ingegneria e Geologia (INGEO), Università di Chieti-Pescara * alessandro.pagliaroli@unich.it Sommario La nota riporta i risultati preliminari di analisi numeriche 1D e 2D della risposta sismica locale del bacino di Sulmona finalizzate ad orientare lo studio di Microzonazione Sismica (MS) di livello 3 dell area, in corso di affidamento al Dipartimento di Ingegneria e Geologia (InGeo) dell Università G. d Annunzio di Chieti e Pescara. Il modello di sottosuolo è stato ricostruito a partire dalle indagini relative allo studio di MS di livello 1, eseguito da InGeo in collaborazione con altri Enti di Ricerca. Nel presente studio, sono state considerate due sezioni, ritenute rappresentative per lo studio degli effetti di sito complessi che possono verificarsi nell area. La prima è finalizzata allo studio dei possibili effetti stratigrafici e topografici che interessano il pianoro su cui è edificata la parte più antica dell abitato. La seconda sezione taglia la zona industriale e si spinge fino alla faglia del Morrone che borda a nord-est il bacino di Sulmona, per analizzare gli effetti legati alla geometria sepolta. I risultati sono stati elaborati in termini di fattori amplificazione spettrale e indici sintetici che quantificano gli effetti bidimensionali, quali il fattore di aggravio topografico. Le analisi mostrano che sensibili amplificazioni spettrali (fino a 4) si verificano non solo nel campo di periodi T=1-3s, come atteso viste le elevate profondità del bacino, ma anche per T<1 s a causa di effetti di bordo e topografici. 1. Inquadramento geologico-strutturale La Conca di Sulmona è un bacino intramontano che si sviluppa in senso NO-SE per una lunghezza di circa 20 km, con larghezze comprese tra 4 e 7 km, con quote che al suo interno variano da circa 250 m s.l.m. in corrispondenza del paese di Popoli (settore settentrionale), a circa 400 m s.l.m. in corrispondenza di Sulmona (settore meridionale), ed aumentano spostandosi ai margini della conca stessa. Il bacino è bordato da faglie attive, con un depocentro profondo più di 400 metri colmato da una potente successione lacustre, costituita essenzialmente da limi argillosi a cui si intercalano corpi ghiaiosi talora cementati, di spessore anche maggiore ai 20 m, su cui poggiano depositi alluvionali terrazzati ghiaioso-sabbiosi di spessore medio intorno a metri. L attività quaternaria della faglia del Monte Morrone che borda a nord-est il bacino è stata documentata da vari Autori e, in base alla sua lunghezza (stimata in km), è capace di generare terremoti di M > 6. Anche se la storia sismica di Sulmona è piuttosto ricca di eventi, non ci sono informazioni sull attivazione della faglia in tempi storici. Sulla base di studi archeosismologici (Ceccaroni et al., 2009) l ultima attivazione della faglia del Morrone può essere collocata nel II secolo d.c. Questo dato è stato confermato più recentemente da Galli et al. (2015) e Di Domenica e Pizzi (2017) su base paleosismologica. L assetto geologico è mostrato nelle due sezioni geologiche di figura 1. La prima (FF ) interessa il pianoro su cui è edificata la parte più antica dell abitato, costituito da circa 30 m di alluvioni sabbioseghiaiose terrazzate poggianti sui limi lacustri mentre il basamento calcareo è ipotizzabile a circa 200 m di profondità dal p.c. La seconda sezione (CC ), ubicata più a nord del centro storico, taglia la zona industriale e si spinge fino al versante ovest del Morrone, evidenziando la morfologia tipo half-graben del bacino, con depocentro massimo oltre 435 m (accertato con un sondaggio profondo che non ha intercettato il bedrock calcareo). L apporto clastico dal versante comporta la presenza di depositi più grossolani in rapporto di complessa interdigitazione, sia laterale che verticale, con i terreni fini

2 lacustri. Sensibili incertezze riguardano inoltre la transizione laterale tra il massiccio carbonatico e i depositi lacustri. Alla base del versante del Morrone è stata ipotizzata un altra struttura tettonica, uno splay della faglia bordiera, che racchiuderebbe quindi una fascia di materiale roccioso intensamente cataclasato al tetto della faglia principale. Tale fascia è ricoperta in superficie da detriti di frana e di versante, che lateralmente passano alle alluvioni terrazzate. Misure di rumore ambientale eseguite in quest area (Fig. 1) non indicano picchi H/V significativi escludendo importanti contrasti di impedenza. Le altre misure di rumore ambientale indicano frequenze fondamentali comprese tra Hz generalmente riconducibili alla risonanza dei depositi alluvionali e lacustri al di sopra del basamento calcareo. Nel piano del centro storico le misure di microtremore indicano una frequenza di risonanza pressoché costante e compresa nel campo Hz. Attraverso la sintesi dei dati geognostici e geofisici disponibili e raccolti nell ambito dello studio di MS di livello 1 e la loro integrazione con i valori delle frequenze di risonanza ottenuti da misure di rumore ambientale, è stata definita la carta delle Microzone Omogenee in Prospettiva Sismica (MOPS) accompagnate da numerose sezioni geologiche tra le quali le due mostrate in Fig.1 ( Pizzi et al., 2014). Dato l assetto geologico-geomorfologico, il bacino di Sulmona rappresenta un area dove si attendono significati effetti di sito 2D e 3D. Questo è confermato anche dall esame delle registrazioni delle stazioni permanenti installate nel bacino, a nord del centro di Sulmona (Fig. 1) e ubicate sia su roccia (SUL) che all interno del bacino (SUL A e SUL C). Prendendo a riferimento la stazione SUL, i rapporti spettrali calcolati su numerosi eventi di magnitudo medio-bassa evidenziano importanti picchi di amplificazione nel campo di frequenza Hz (0.5-5s) (Puglia, 2017). La presenza di una faglia attiva adiacente con lungo periodo di inattività, le condizioni geologiche e morfologiche predisponenti a importanti effetti di sito e, infine, l elevata esposizione (25'000 ab. circa residenti nella sola Sulmona, attività industriali, un rilevante patrimonio storico e archeologico), rendono il bacino un area ad elevato rischio sismico. Gli studi di MS di liv. 3, attualmente in corso di affidamento ad InGeo, appaiono quindi fondamentali per una corretta politica di riduzione del rischio sismico dell area. 2. Scelta dell input sismico 2.1 Sismicità storica e inquadramento sismotettonico La storia sismica di Sulmona è particolarmente ricca di eventi con effetti al di sopra della soglia del danno. In particolare la massima intensità è stata del IX-X MCS in occasione del terremoto della Maiella del (Mw=6.8) mentre un danneggiamento riconducibile a VIII-IX MCS si è avuto a seguito del terremoto del Inoltre, in almeno altre tre occasioni, Sulmona ha sperimentato una intensità di VIII MCS (terremoti del 1456, 1915 e 1933). Il confronto con le intensità attribuite ad altri centri abitati dell area peligna evidenzia che in alcuni casi Sulmona ha subito danni più ingenti, suggerendo l ipotesi di sensibili effetti di sito. La porzione centrale degli Appennini è caratterizzata da tettonica estensionale fin dal Pliocene inferiore, con la maggior parte delle faglie attive che mostrano un movimento normale o obliquo. In questa area il trend principale delle faglie attive è NNW-SSE, parallelo al generale aspetto fisiografico della catena. I sistemi di faglie di maggiore rilievo, estratti dal database DISS (DISS Working Group, 2015), per la definizione della pericolosità sismica di base dell area in esame sono i seguenti: Sulmona basin (Mw=6.4, distanza minima dal sito D=0 km), Aremogna-Cinque Miglia (Mw=6.4, D=13 km), San Pio delle Camere (Mw=6.2, D=25 km), Tocco da Casauria (Mw=6, D=17 km) Fucino basin (Mw=6.7, D=22 km). Il primo sistema corrisponde alla faglia del Morrone, già descritta nell introduzione; il valore di magnitudo potenziale ad essa associato (Mw=6.4) è stato recentemente adottato da Villani et al. (2014) per la modellazione del processo di rottura della faglia.

3 Figura 1. Sezioni geologiche rappresentative selezionate per l analisi della risposta sismica locale del bacino di Sulmona; in sez. CC sono riportate le misure di microtremore con indicazione, qualora rilevata, della frequenza fondamentale f 0, in blu la proiezione delle stazioni accelerometriche SUL, SUL A e SUL C (modificato da Pizzi et al., 2014). 2.3 Selezione degli accelerogrammi Sulla base dei risultati dello studio della sismicità del sito esposti precedentemente, integrando i dati di sismicità storica con le caratteristiche delle principali strutture sismogenetiche, si è giunti a identificare le coppie magnitudo-distanza che controllano la sismicità dell area: M=6-6.5 D<25 km, M= D=20-40 km. Tali coppie sono state utilizzate per una preselezione di accelerogrammi dalla banca dati ITACA (itaca.mi.ingv.it). Come riferimento si è assunto lo spettro derivate dallo studio probabilistico INGV ( per tempo di ritorno 475 anni, categoria di sottosuolo A e classe

4 topografica T1. Dalle storie temporali prima descritte, mediante il software In-Spector (Acunzo et al., 2014), sono stati scelti 7 accelerogrammi, mediamente compatibili con lo spettro target (Tabella 1). Tabella 1. Accelerogrammi selezionati come input per le analisi di risposta sismica locale. FS=fattore di scala, NTC08=classe di sottosuolo in accordo alle Norme Tecniche, * V s,30 > 600 m/s Evento Data Ora Staz. Comp. MW D[Km] NTC08 FS L AQUILA 06/04/ :32:40 AQG EO B* 0.57 CENTRAL_ITALY 30/10/ :40:18 CSC NS B* 1.62 IRPINIA 23/11/ :34:53 ALT NS A 4.57 CENTRAL_ITALY 24/08/ :36:32 CSC NS B* 3.06 L AQUILA 06/04/ :32:40 AQK NS B* 0.72 CENTRAL_ITALY 30/10/ :40:18 NRC NS B* 0.69 IRPINIA 23/11/ :34:53 BSC NS A Modello di sottosuolo 2.1 Sintesi dei dati disponibili Durante lo studio di Microzonazione Sismica di liv. 1 del Comune di Sulmona (Pizzi et al., 2014) è stato realizzato un database delle indagini geognostiche, geotecniche e geofisiche esistenti. Le indagini risultano diffusamente distribuite attraverso le zone del centro storico, del settore recente di Sulmona e zona industriale; alcune sono presenti anche nelle frazioni situate ai piedi del Monte Morrone. In particolare le indagini puntuali a disposizione sono: 72 sondaggi geognostici, 13 prove di sismica in foro di tipo Down-Hole (DH), 1 prova di sismica in foro di tipo Cross-Hole (CH), 3 prove dilatometriche sismiche (SDMT), 32 prove penetrometriche in foro (SPT), 58 misure di microtremore a stazione singola (HVSR). A queste si aggiungono le indagini lineari, consistenti in 6 Profili MASW e 7 Profili sismici a rifrazione (SR). Le prove DH hanno consentito di definire il profilo di variazione delle onde di taglio e di compressione con la profondità per i due litotipi più abbondanti: alluvioni terrazzate (at1) e limi lacustri (lac). In particolare per ricavare i profili di V S e V P, è stata fatta una media delle determinazioni disponibili, ottenendo rispettivamente V S =386 m/s e V P =988 m/s per le ghiaie e sabbie at1, V S =407 m/s e V P =1064 m/s per i limi (investigati nei primi 20 m). Per la definizione di V S ad elevate profondità nei limi, si è fatto riferimento ai risultati degli array 2D passivi eseguiti da Di Giulio et al. (2014) nella porzione settentrionale del bacino di Sulmona, dai quali si evince un gradiente nei primi 100 m circa (V S = m/s), mentre a profondità maggiori e fino al contatto con il basamento calcareo (fino a m di profondità), la Vs assume un valore costante e pari a 600 m/s. Gli array 2D hanno inoltre consentito anche di stimare la Vs del basamento calcareo (circa 2500 m/s). Nella modellazione si è scelto di non tenere conto dei riporti (ant in figura 1) e delle ghiaie più recenti (at2-at3 in figura 1) per la poca quantità di prove geofisiche a disposizione. Tuttavia, nelle sezioni analizzate, tali litotipi presentano un limitato spessore, quindi il loro accorpamento con le alluvioni terrazzate (at1), caratterizzate da composizione granulometrica simile, non determina variazioni sostanziali nella valutazione della risposta sismica locale. 2.2 Modello di sottosuolo e calibrazione in campo lineare Il modello di sottosuolo utilizzato per le analisi è riportato in Tabella 2 mentre le sezioni sottoposte a modellazione con l indicazione di spessori e rapporti geometrici tra i litotipi sono mostrate in Figura 2. Nella sezione centro storico, caratterizzata da contatti pressoché orizzontali tra i litotipi (Fig. 1), l adeguatezza del modello in campo lineare è stata accertata mediante il confronto tra la frequenza fondamentale di vibrazione calcolata con un analisi 1D lineare eseguita al centro del pianoro (0.65 Hz), e il valore stimato a partire dagli H/V calcolati sule misure di microtremore eseguite nella stessa area (f 0= Hz, Pizzi et al., 2014). Per quanto riguarda la sezione CC, la morfologia profonda si presenta decisamente più complessa. Tuttavia la sostanziale adeguatezza del modello di sottosuolo è stata confermata dal confronto soddisfacente (soprattutto nel campo di periodi s) tra i rapporti

5 spettrali calcolati con una analisi 2D visco-elastica lineare e quelli sperimentali valutati nelle stazioni SUL A e SUL C prendendo come riferimento SUL (Fig. 1). Per quanto riguarda la caratterizzazione non lineare, non avendo a disposizione prove cicliche/dinamiche, si è fatto ricorso a curve di variazione del modulo di taglio normalizzato G/G 0 e del fattore di smorzamento D in funzione della deformazione ciclica, disponibili in letteratura per materiali simili (Tabella 2). Tabella 2. Modello di sottosuolo adottato per le analisi di risposta locale LITOTIPI VP VS [m/s] [m/s] Curve G/G0 - D Ghiaie (at1) Ghiaie - Rollins et al. (1998) Limi 1 (lac) Limi 2 (lac) Limi lacustri Poggio Picenze (Lanzo et al., 2011) Limi 3 (lac) Bedrock fratturato (sez. CC ) Bedrock Risultati delle analisi numeriche Le analisi sono state eseguite con il codice di calcolo LSR_2D (Stacec srl), agli elementi finiti, che consente di effettuare analisi lineari equivalenti mediante modelli bidimensionali. Preliminarmente alle analisi eseguite sul bacino di Sulmona, si è ritenuto opportuno procedere ad uno studio di taratura del codice mediante il confronto dei risultati con quelli ottenuti da QUAD4M, anch esso F.E.M. lineare equivalente, e ancora oggi il codice più utilizzato per la valutazione della risposta sismica locale in condizioni bidimensionali. Le analisi di taratura hanno mostrato che LSR2D, utilizzato con le medesime condizioni di vincolo laterale implementate in QUAD4M (carrelli orizzontali) fornisce una risposta comparabile con quelle di riferimento (Di Buccio 2017). Per quanto riguarda le dimensioni degli elementi della mesh, che condizionano in maniera fondamentale l accuratezza numerica della trasmissione delle onde, è stata fatta una distinzione nella scelta della frequenza massima per le due sezioni esaminate. Nella sezione relativa al centro storico è stata impostata una frequenza massima pari a 20Hz, mentre per la sezione CC, essendo caratterizzata da un sensibile lunghezza (circa 7 km), per limitare il numero di nodi, è stata modellata una frequenza massima pari di 5 Hz rinunciando quindi ad investigare la risposta sismica per periodi inferiori a 0.2s. Sezione centro storico (FF ). I contours degli spettri di risposta elastici al 5% (Sa) e dei fattori di amplificazione spettrale (AS) sono riportati in figura 2; entrambi i parametri si riferiscono alla componente orizzontale dell'accelerazione e sono stati calcolati alla superficie della sezione come valori medi sulle 7 simulazioni eseguite. Il massimo di amplificazione (3-4) è raggiunta nel campo di periodi s in tutto il piastrone del centro storico. L amplificazione è dovuta probabilmente ad effetti stratigrafici come mostra il picco di ampiezza 3.5 intorno a 2s della funzione di amplificazione 1D (FA) riportata nella stessa figura. Nello stesso campo di periodi il profilo del TAF (Topographic Aggravation Factor), calcolato in ogni punto come rapporto tra spettro di risposta 2D e analogo in condizioni 1D e che quantifica gli effetti bidimensionali, presenta valori modesti, leggermente superiori all unità. Amplificazioni dell ordine di si verificano inoltre nel campo s, in prossimità dei bordi del pianoro (punto A). Si tratta di effetti topografici come mostrato dall andamento del TAF nel punto A e dalla coincidenza del campo di periodi in cui si verifica l amplificazione con le stime ricavabili dalle relazioni proposte da Ashford et al. (1997) per la cresta di pendii (T=5H/Vs=5*30/ s). I risultati sono infine elaborati in termini di profili dei fattori di amplificazione FHa, definiti in termini di integrale dello spettro di pseudo-accelerazione in vari intervalli di periodo, utilizzati in molti studi di microzonazione sismica di livello 3. Sezione Morrone (CC ). L obiettivo in questa sezione è stato quello di analizzare gli effetti di bordo in prossimità della faglia. Amplificazioni spettrali di circa 4 nel campo di periodi s (si veda il TAF nel punto B intorno alla progressiva 5000 m) sono probabilmente legati alla focalizzazione in

6 superficie delle onde rifratte all interfaccia del basamento. Elevate amplificazioni si hanno anche nel campo di periodi 1-3 s, dove alla risonanza 1D (si veda la FA 1D nel punto B) si sovrappongo sensibili effetti 2D come si osserva dai valori del TAF nei tre punti considerati. 5. Sviluppi futuri Le principali criticità da affrontare nello studio di microzonazione di livello 3, ed evidenziati dal presente studio, riguardano la caratterizzazione del comportamento non lineare dei terreni mediante prove cicliche di laboratorio, la ricostruzione morfologica a la caratterizzazione meccanica dei depositi antropici nella zona del centro storico (trascurata nelle modellazioni qui riportate) e dei materiali della fascia di transizione in prossimità della faglia del Morrone. Infine, poiché l area di studio si trova in prossimità di una faglia, sarà opportuno tenere conto di questa peculiarità anche nella definizione dell input sismico, qui considerata solo scegliendo alcune registrazioni near-field. Studi di pericolosità sismica di base di tipo deterministico (eventualmente con generazioni di segnali sintetici/artificiali) saranno quindi affiancati a quelli probabilistici e dovrà essere valutato l effetto dell inclinazione delle onde e della presenza della componente verticale. Bibliografia Acunzo G., Pagliaroli A., Scasserra G. (2014). In-Spector: un software di supporto alla selezione di accelerogrammi naturali spettrocompatibili per analisi geotecniche e strutturali. Atti 33 Convegno Nazionale GNGTS, Bologna novembre 2014, vol. 2, , ISBN: Ashford S. A., Sitar N., Lysmer J., Deng N. (1997). Topographic Effects on the Seismic Response of Steep Slopes, Bulletin of the Seismological Society of America, 87: Ceccaroni E., Ameri G., Gomez Capera A.A., Galadini, F. (2009). The 2nd century AD earthquake in Central Italy: archaeoseismological data and seismotectonic implications, Natural Hazards, 50, Di Buccio F. (2017). Valutazione della risposta sismica locale del bacino di Sulmona mendiate un codice FEM bidimensionale. Tesi di laurea magistrale in Ingegneria delle Costruzioni, Dip. di Ingegneria e Geologia, Pescara. Di Domenica A., Pizzi A. (2017). Defining a mid-holocene earthquake through speleoseismological and independent data: implications for the outer Central Apennines (Italy) seismotectonic framework, Solid Earth, 8, Di Giulio G., de Nardis R., Boncio P., Milana G., Rosatelli G., Stoppa F., Lavecchia G. (2016). Seismic response of a deep continental basin including velocity inversion: the Sulmona intramontane basin (Central Apennines, Italy), Geophys J Int., 204 (1), DISS Working Group (2015). Database of Individual Seismogenic Sources (DISS), Version 3.2.0: A compilation of potential sources for earthquakes larger than M 5.5 in Italy and surrounding areas. Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia; DOI: /INGV.IT-DISS3.2.0 Galli P., Giaccio B., Peronace E., Messina P. (2015). Holocene Paleoearthquakes and Early-Late Pleistocene slip rate on the Sulmona Fault (Central Apenines, Italy), Bull. seism. Soc. Am., 105(1), Lanzo G., Silvestri F., Costanzo A., d Onofrio A., Martelli L., et al. (2011). Site response studies and seismic microzoning in the Middle Aterno valley (L Aquila, Central Italy), Bull. Earth. Eng., 9(5), Pizzi A., Miccadei E, Piacentini T., Pipponzi G., Galadini F., et al. (2014). Microzonazione simica di Livello 1 del Comune di Sulmona (AQ), Rel. illustrativa con carte e sezioni allegate, R. Abruzzo Dip. Protezione Civile. Puglia R. (2017). Comunicazione personale. Rollins, K. M., Evans, M. D., Diehl, N. B., Daily III, W. D. (1998). Shear modulus and damping relationships for gravels, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 124(5), Villani M., Faccioli E., Ordaz M., Stupazzini M. (2014). High resolution seismic hazard analysis in a complex geological configuration: the case of Sulmona (Central Italy) basin, Earthq. Spectra, 30(4),

7 Figura 2. Contours degli spettri di risposta elastici al 5% (a), dei fattori di amplificazione spettrale (b) e profili dei fattori di amplificazione FHa (c) calcolati alla superficie del modello; funzione di amplificazione 1D (d) e Topographic aggravation factor TAF (e) calcolati in punti rappresentativi.