On liquefaction Microzoning strategy at level 2/3 for improving the resilience of urban areas

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1 Lecce 24 novembre 2016 Castello Carlo V Aula D Enghien On liquefaction Microzoning strategy at level 2/3 for improving the resilience of urban areas G. Vessia 1, M.L. Rainone 1, A. Di Domenica 1, A. Pizzi 1, S. Giallini 1,3, A. Pagliaroli 1, M. Moscatelli 3, A. Di Giovanni 1, F. Solari 1 1 Dipartimento di Ingegneria e Geologia, Università degli Studi G. d Annunzio di Chieti-Pescara, Italy. 2 Consiglio Nazionale delle Ricerche CNR, Istituto di Ricerca per la Protezione Idrogeologica, IRPI, Bari, Italy. 3 Consiglio Nazionale delle Ricerche CNR, Istituto di Geologia Ambientale e Geoingegneria, IGAG, Roma, Italy.

2 Studi di liquefazione a livello 2/3 Nel caso degli studi di MZS le Nuove linee guida per la gestione del territorio in aree interessate da liquefazione del febbraio 2016 normative fornite dal Dipartimento della Protezione Civile, evidenziano due livelli di studio di liquefazione, ovvero il livello 1, ed il livello 3 ma tre livelli di approfondimento: il 3 con approcci semplificati ed 3 con approcci avanzati. I due livelli 3 devono consentire di redigere carte «quantitative»: (Zone di Attenzione (ZA) negli studi per la Carta delle MOPS livello 1) - Zone di Suscettibilità (ZS) negli studi per la Carta di MS livello 3 semplificato (qui indicato con 2/3)) - Zone di Rispetto (ZR) negli studi di per la Carta di MS livello 3 avanzato

3 Zone di attenzione ZA, suscettibilità ZS e rispetto ZR Zone di Suscettibilità (ZS): sono zone nelle quali, a seguito di una raccolta dati specifica per l instabilità in esame e l applicazione di metodi di analisi il più delle volte semplificati (per permettere un applicazione dei risultati a un area estesa), è possibile fornire una stima quantitativa della pericolosità. Parametrizzazione Zone di Rispetto (ZR): sono zone nelle quali, a seguito di una raccolta dati specifica per l instabilità in esame e l applicazione di metodi di analisi il più delle volte avanzati (per analizzare dettagliatamente aree limitate e/o particolarmente importanti), è possibile quantificare in modo affidabile la pericolosità. Parametrizzazione

4 Zone di attenzione ZA, suscettibilità ZS e rispetto ZR La differenza tra Zona di Suscettibilità e Zona di Rispetto, si legge nelle nuove linee guida, al termine dello studio, è data, oltre che dall applicazione dei metodi diversi di analisi ( avanzati in ZR), dal diverso livello di pericolosità (più elevato nella ZR), espresso attraverso uno specifico parametro descrittivo dell instabilità considerata (faglia attiva e capace, liquefazione, fenomeno franoso). Caso delle Zone di Suscettibilità a Liquefazione Fattore di Sicurezza e Potenziale di liquefazione

5 Studi di liquefazione a livello 2/3 In questo contributo si focalizza, attraverso la discussione di un caso di studio, sulla proposta di una strategia per rendere affidabile la MSZ di livello 2/3 in chiave di liquefazione.

6 Studi di liquefazione a livello 2/3 Al livello di 2/3 di MSZ, a valle della identificazione delle condizioni predisponenti ed innescanti per l individuazione delle Zone di Attenzione, prima del calcolo del Potenziale di Liquefazione, si devono specificare: CONDIZIONI PREDISPONENTI LITOLOGICHE 1. presenza di caratteri geologici e geotecnici predisponenti (tra i quali il più importante è la presenza di terreni costituiti prevalentemente da sabbie e limi saturi, in falda, poco addensati nei primi 20 m di profondità). CONDIZIONI IDROGEOLOGICHE 2. nel sottosuolo è presente una falda a profondità media stagionale inferiore a 15 m dal piano campagna; CONDIZIONI INNESCANTI: 3. accelerazione massima attesa su roccia uguale o superiore a 0.10 g; 4. eventi sismici attesi di magnitudo M superiore a 5.

7 Zone di attenzione ZA, suscettibilità ZS e rispetto ZR PROPOSTA 1: CONDIZIONE 1 A LIVELLO MZS 2/3 1) A livello 2/3 sebbene si usino le prove in sito (CPT, SPT e Vs) per determinare i parametri citati, è necessaria una identificazione precisa della DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA E di eventuali PARAMETRI INDICE che si è visto in occasione di forti terremoti di essere determinanti e discriminanti nell innesco del fenomeno liquefazione. Per escludere la liquefazione: 2. Indicazioni granulometriche AGI (2005)

8 Zone di attenzione ZA, suscettibilità ZS e rispetto ZR PROPOSTA 1: CONDIZIONE 1 A LIVELLO MZS 2/3 1) A livello 2/3 sebbene si usino le prove in sito (CPT, SPT e Vs) per determinare i parametri citati, è necessaria una identificazione precisa della DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA E di eventuali PARAMETRI INDICE che si è visto in occasione di forti terremoti di essere determinanti e discriminanti nell innesco del fenomeno liquefazione. Per escludere la liquefazione: 2. Indicazioni granulometriche AGI (2005)

9 Zone di attenzione ZA, suscettibilità ZS e rispetto ZR PROPOSTA 1: CONDIZIONE 1 A LIVELLO MZS 2/3 1) A livello 2/3 sebbene si usino le prove in sito (CPT, SPT e Vs) per determinare i parametri citati, è necessaria una identificazione precisa della DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA E di eventuali PARAMETRI INDICE che si è visto in occasione di forti terremoti di essere determinanti e discriminanti nell innesco del fenomeno liquefazione. Per escludere la liquefazione: 3. Seed et al (2003) e Bray & Sancio (2006) evidenziano che anche i terreni fini a bassa plasticità possono liquefare, secondo il grafico di figura.

10 Studi di liquefazione a livello 2/3 CONDIZIONI INNESCANTI: 3. accelerazione massima attesa su roccia uguale o superiore a 0.10 g; 4. eventi sismici attesi di magnitudo M superiore a 5. Nelle verifiche di liquefazione semplificate, tuttavia, si devono considerare i seguenti fenomeni: 1. Amplificazione locale che amplifica i valori di PGA 2. Eventuale presenza di effetti «near field» se il sito si trova in prossimità della faglia attivatasi si devono considerare effetti di sorgente che possano indurre l uso di valori di Magnitudo maggiori o farci selezionare una scala di Magnitudo specifica (M) per le verifiche a liquefazione in casi «sito specifici»? Definizione del Fattore di Sicurezza alla Liquefazione, in presenza di prove Nspt: CRR 7.5 = 1 34 (N 1 ) 60 + (N 1) [10 N ] Youd and Idriss (2001) CRR M,σ v = CRR M=7.5,σ v =1atm MSF K σ CSR = τ av = 0.65 a max σ v0 g σ v0 FSL = R r d L = CRR CSR σ v0

11 Studi di liquefazione a livello 2/3 PROPOSTA 2: CONDIZIONE 1 A LIVELLO MZS 2/3 1. gli eventi sismici attesi al sito devono essere caratterizzati da valori magnitudo Mw 5 (Irif VII) e da un accelerazione in superficie di riferimento amax 0,1 g (IMCS VII). Usare il solo valore della Magnitudo Momento in aree in prossimità della sorgente (entro 15km) ed utilizzare le strategie proposte nell Allegato A alle «Nuove linee guida per gli studi di liquefazione» per identificare la M da utilizzare con R>15km. 2. Prevedere la necessaria esecuzione di ANALISI DI RISPOSTA SISMICA 1D quindi implementare strategie di Livello 3 per lo studio di amplificazione sismica locale, in quelle aree in cui debbano essere condotte le MSZ di livello 2/3 in chiave di liquefazione.

12 Il caso di studio di Sulmona per l applicazione della metodologia MSZ 2/3 proposta Inquadramento geostrutturale La città di Sulmona sorge su una conca intramontana orientata NW-SE di origine tettonica bordata da ripidi fianchi carbonatici rialzatisi a seguito della attività tettonica distensiva, tipica della parte esterna dell Appennino centrale. Essa si estende per una larghezza variabile da 4 a 7km ed una lunghezza di 21km ed è limitata ad Est dal sistema di faglie normali attive del Mt. Morrone. Tale conca è riempita da una potente (oltre i 400m) sequenza di depositi continentali fluvio-lacustri Quaternari. La sua geometria descrive un mezzo graben asimmetrico. Il sondaggio più profondo disponibile in sito raggiunge i 435m ma non raggiunge il bedrock carbonatico.

13 Il caso di studio di Sulmona Caratteri sismici La successione di depositi continentali della conca di Sulmona contiene sabbie ghiaiose, con intercalazioni di argille limose, depositi alluvionali terrazzati (Olocenici- tardo Pleistocenici) posti su sedimenti lacustri a granulometria fine (argille limose e limi sabbiosi) con locali intercalazioni di ghiaie e conglomerati (Pleistocenici). Nella Zonazione sismogenetica ZS9, redatta dall INGV, Sulmona ricade nella zona ZS923, con una massima magnitudo attesa di 7.06Mw. La complessità della successione geolitologica e la presenza di faglie normali attive e capaci (a distanze inferiori ai 15km) può essere responsabile di importanti amplificazioni sismiche locali e di fenomeni di liquefazione. Le testimonianze di I MCS 9-10 in occasione del terremoto del 1706 riguarda il solo centro storico.

14 Caratteri Idrogeologici della conca di Sulmona E noto come nelle aree di piattaforma carbonatica, come è quella in esame, le dorsali montuose presentano una permeabilità molto elevata per fratturazione e carsismo che le rende sedi di estesi acquiferi. Nell area di studio l unità idrogeologica del Morrone alimenta diverse sorgenti, tra cui quella del Giardino, nei pressi di Popoli, totalmente captata per uso potabile (portata pari a 1.5 m3/s). la stessa struttura alimenta il drenaggio nell alveo del Fiume Pescara. La circolazione idrica sotterranea nei depositi clastici continentali della Conca di Sulmona non è altrettanto nota.

15 Caratteri Idrogeologici della conca di Sulmona La presenza delle numerose sorgenti lungo tutti i lati della Valle Peligna e l esistenza di livelli e fasce detritiche a granulometria elevata, dotati quindi di buona permeabilità, fanno supporre che siano possibili scambi tra gli acquiferi fratturati delle dorsali e l acquifero multistrato della piana (Desiderio et al, 2011).

16 Suscettibilità a liquefazione di Sulmona La MZS di livello 1 ha evidenziato le aree di attenzione per instabilità da liquefazione, retinate in figura, sebbene in queste aree le litologie siano solo state descritte e non caratterizzate geotecnicamente. Nel pozzo scavato in S1 il livello di falda misurato in foro è in media di 3.5m.

17 Suscettibilità a liquefazione di Sulmona Il Dipartimento della protezione civile ha installato stazioni accelerometriche permanenti nel centro di Sulmona, SULC e SULA, SULP in corrispondenza della conoide e SUL su affioramento carbonatico. In occasione di un evento di Ml 4.2 avvenuto a distanza epicentrale di 50km (16 febbraio 2016 alle 21:16:09 GMT) ha mostrato notevoli amplificazioni: in SULA si sono avute amplificazioni 6 volte superiori al segnale registrato a SUL.

18 Il caso di studio di Sulmona

19 Suscettibilità a liquefazione di Sulmona (MZS livello 2/3) Nel caso delle aree alluvionali di Sulmona le condizioni 3 e 4 sono soddisfatte. Infatti: 1. La magnitudo massima attesa al sito (M max ) è pari a La mappa di pericolosità sismica evidenzia per la zona in esame un accelerazione massima attesa al suolo (PGA) di g con probabilità eccedenza 10% in 50 anni.

20 Calcolo del Fattore di Sicurezza alla Liquefazione con metodologia semplificata Nell area urbana di Sulmona è stata da poco conclusa la fase di MZS1 e si è appena partiti per la fase di MZS 2/3. Nella zona di attenzione a liquefazione si dispone di un profilo di velocità in onde S (S1). Il sondaggio S1 si trova in prossimità della stazione ferroviaria (opera strategica di comunicazione). In S1 oltre ad intercettare la falda sono stati presi campioni sottoposti ad analisi granulometriche dei depositi alluvionali recenti che giacciono su depositi lacustri argillosi). Si dispone in S1 anche di prove Nspt.

21 Calcolo del Fattore di Sicurezza alla Liquefazione con metodologia semplificata

22 Il caso di studio di Sulmona La RSL è stata condotta con il codice STRATA sul profilo S1 opportunamente approfondito fino alla profondità di 50m dove, i dati di prove geofisiche (MASW e rifrazioni) hanno evidenziato che le argille raggiungono Vs intorno ai 1000m/s. Tale livello argilloso è stato considerato il bedrock sismico per la RSL. Gli accelerogrammi di input adottati sono stati presi in numero di 7 spettrocompatibili con suolo di tipo A per un tempo di ritorno di 475 anni ed applicati al bedrock del profilo S1. L andamento delle PGA con la profondità, mostrato in figura, è stato ottenuto come media delle PGA generate alle diverse profondità dai 7 accelerogrammi. Infine, le formule per il calcolo dei Fattori di Sicurezza, mostrate in precedenza nel caso dell uso di prove SPT, hanno prodotto il profilo di FSL fino a 15m (profondità a cui erano disponibili le SPT). Dallo studio si evince che fenomeni di liquefazione coinvolgono solo 4m, che vanno da 7 a 12m di profondità.

23 CONCLUSIONI Le linee guida per gli studi di MZS di livello 2/3 in riferimento alla Liquefazione, sono stati oggetto di un aggiornamento grazie all esperienza maturata all indomani del terremoto dell Emilia Romagna In questo contesto, il lavoro condotto in via preliminare solo in un caso di studio nel sito di Sulmona, ha costituito lo spunto per suggerire, a questo livello di dettaglio a cui si devono produrre CARTE DI SUSCETTIBILITA, una strategia di studio affidabile: 1) Per l uso dell approccio semplificato con le prove in sito è necessario disporre di analisi granulometriche e possibilmente IP e LL (in presenza di contenuto in fine superiore al 35%) per verificare che i litotipi ricadano effettivamente nei fusi granulometrici liquefacibili 2) Effettuare preliminarmente, lungo le stesse verticali oggetto di misure in sito, delle analisi di RSL 1D per poter inserire nelle formule semplificate valori di PGA rappresentativi delle amplificazioni di sito

24 GRAZIE DELL ATTENZIONE!