PRESENTAZIONE DELLA TESI. TITOLO: Analisi bidimensionali di risposta sismica locale Il caso di Barberino di Mugello

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1 PRESENTAZIONE DELLA TESI AUTORE: Alberto Puliti TITOLO: Analisi bidimensionali di risposta sismica locale Il caso di Barberino di Mugello RELATORI: Prof. Ing. Claudia Madiai, Prof. Ing. Giovanni Vannucchi, Dott. Ing. Johann Facciorusso, Dott. Geol. Massimo Baglione 1. Inquadramento del tema trattato e del tema svolto Il lavoro di tesi sviluppato dallo scrivente è consistito nello studio della parte meridionale del Comune di Barberino di Mugello, finalizzato alla valutazione della risposta sismica locale mediante modelli numerici bidimensionali. Il Mugello è una delle aree a maggior rischio sismico della Toscana e dell intera catena appenninica, come dimostrano i disastrosi eventi del 1542 (M W = 5.91) e, soprattutto, del 1919 (M W = 6.18). Recenti studi hanno evidenziato come tali eventi siano direttamente correlati ad altri terremoti verificatisi lungo l Appennino, secondo un processo di propagazione da sud verso nord di sforzi compressivi e trascorrenti legati da una parte al movimento verso settentrione della sub-placca Adriatica, dall altra alla subduzione della stessa sub-placca al di sotto della sub-placca Iberica, subduzione che avviene esattamente in corrispondenza della fascia centrale della catena. Tali processi hanno portato all apertura di svariati bacini tettonici ( graben ), tra i quali la piana del Fucino, la valle dell Aterno, la Valtiberina, il Casentino, il Mugello, la Garfagnana e la Lunigiana. Proprio tali bacini sono tra le zone a maggior pericolosità sismica della Penisola. La Regione Toscana ha avviato, in seguito al terremoto di Fivizzano (MS) del 10/10/1995, un importante studio per la mitigazione del rischio sismico, denominato Programma di Valutazione degli Effetti Locali (VEL), con la doppia finalità di valutare gli effetti sismici locali in centri urbani ed insediamenti produttivi ( Approccio Areale ) e la vulnerabilità sismica dei singoli edifici esistenti in vista della pianificazione di interventi di miglioramento e adeguamento sismico ( Approccio Puntuale ). Dal primo punto di vista, l obiettivo è la creazione di carte di microzonazione sismica di terzo livello ( Carta di microzonazione sismica con approfondimenti ) dei principali centri urbani e delle zone produttive delle aree a maggior rischio sismico, da rendere poi disponibili ai professionisti ed agli amministratori locali. Tra le aree interessate rientrano alcuni dei bacini precedentemente elencati (Valtiberina, Casentino, Mugello, Garfagnana e Lunigiana). Nella prima parte del lavoro si è provveduto alla caratterizzazione geotecnica delle unità geologiche presenti nell'area, a partire dalle informazioni esistenti e dai risultati di una approfondita campagna di indagini, diretta dai tecnici del Coordinamento Regionale Prevenzione Sismica (CPRS) nell'ambito del Programma VEL. Su un estensione di circa 3000 ha sono stati eseguiti 17 sondaggi (in ciascuno dei quali è stata effettuata una prova Pagina 1 di 6

2 down-hole) e 13 stese sismiche a rifrazione, e sono stati prelevati 21 campioni indisturbati. I dati raccolti hanno permesso di caratterizzare accuratamente la zona di studio, e di definire un modello geotecnico sufficientemente affidabile per le successive analisi numeriche di risposta sismica locale. Nell'area, al di sopra di un substrato generalmente arenaceo o arenaceo-pelitico (se si escludono le argilliti presenti all estremità meridionale), si trovano depositi fluvio-lacustri di elevata potenza (fino a nella zona sudorientale), formatisi nel corso del Pliocene e del Pleistocene ( Ma), quando il bacino tettonico era occupato da un vasto lago endoreico. Tali depositi, sopra ai quali si individuano spesso sottili terrazzi alluvionali quaternari prevalentemente ghiaiosi, hanno caratteristiche estremamente variabili, sia in direzione verticale, sia in direzione orizzontale, il che ha reso particolarmente complessa la fase di caratterizzazione geotecnica. Intercalazioni organiche si trovano nella parte sud-orientale dell'area, mentre la parte inferiore dei depositi è spesso caratterizzata da un maggior contenuto di ghiaia. In ogni caso, i sedimenti presenti in ciascuna delle numerose paleovalli che si identificano nella articolata morfologia sepolta, pur appartenendo alla stessa formazione, hanno proprietà molto diverse. Una possibile spiegazione può trovarsi nella diversa tipologia di formazioni rocciose affioranti nelle zone circostanti (appartenenti al Dominio Toscano, al Dominio Ligure e al Dominio Umbro-Marchigiano), e quindi nei diversi ambienti di erosione da cui provengono i sedimenti affluiti nel lago plio-pleistocenico. Per questo motivo, invece che attribuire valori medi alle proprietà dei depositi fluvio-lacustri e assegnare ad essi un unico modello di comportamento dinamico, ciascuna paleovalle è stata caratterizzata in maniera a sé stante, utilizzando i risultati delle prove in situ e di laboratorio ad essa relative. Per ogni sezione analizzata sono stati considerati, se possibile, i dati relativi alle verticali più prossime. Ovviamente, un confronto fra tutti i dati disponibili è stato necessario al fine di individuare, per i vari materiali, delle tendenze comuni, ed escludere eventuali valori anomali. Le proprietà fisiche e le caratteristiche meccaniche in campo statico e dinamico (curva di decadimento della rigidezza al taglio e curva di smorzamento) sono state di norma ricavate dai risultati della campagna di indagini specificamente condotta nell'ambito del Programma VEL. Quando necessario, questi sono stati integrati ed estrapolati sulla base di indicazioni di letteratura e di considerazioni sulla natura e sull origine dei depositi presenti nell'area. Le analisi bidimensionali di risposta sismica locale sono state condotte utilizzando il codice agli elementi finiti QUAD4M, che lavora nel dominio del tempo ed in tensioni totali, utilizzando il metodo lineare equivalente e tenendo conto della deformabilità del substrato. Per ciascuna delle sezioni individuate dal CRPS (di lunghezza variabile tra poco meno di 1 km e poco più di 3 km), l analisi è stata ripetuta considerando 5 diversi segnali accelerometrici reali spettro-compatibili, selezionati in modo che lo spettro medio fosse sufficientemente prossimo a quello indicato per l'area in esame dalle Norme Tecniche per le Costruzioni (D.M. 14/01/2008) per un periodo di ritorno di 475 anni. Al fine di creare il modello della sezione, la mesh di elementi finiti triangolari ed il file di input da inserire successivamente in QUAD4M, è stato messo a punto un preprocessore in ambiente di calcolo Matlab. I depositi superficiali, che hanno una maggiore influenza nelle modifiche Pagina 2 di 6

3 che il segnale sismico subisce nel suo percorso prima di raggiungere la superficie, sono stati suddivisi in strati di piccolo spessore (al massimo 3 m), riducendo le dimensioni laddove la morfologia era più accidentata. Più in profondità, sono stati utilizzati strati di spessore più elevato, comunque inferiore ai 15 m. Nel caso in cui le proprietà fossero costanti per spessori maggiori, sono stati definiti due o più sotto-strati aventi uguali caratteristiche. Gli elementi, creati con una procedura che tende a ottenere lati di lunghezza simile, per evitare fenomeni di instabilità numerica (triangolazione di Delaunay), hanno dimensioni massime legate alla necessità di seguire accuratamente l andamento all interno del deposito degli spostamenti relativi in uno stesso istante, dai quali dipendono le deformazioni di taglio e dunque le caratteristiche di rigidezza e smorzamento del terreno. Come indicato dalle linee guida nazionali per la microzonazione sismica (Gruppo di lavoro MS, Indirizzi e criteri per la microzonazione sismica, 2008), ciò implica che vi siano almeno 5 punti di campionamento per lunghezza d onda. La lunghezza d onda a cui si fa riferimento è quella corrispondente alla componente di frequenza massima fra quelle di interesse dal punto di vista ingegneristico, ed alla velocità di propagazione delle onde di taglio all interno dello strato in esame. 2. Risultati ottenuti e loro grado di innovazione Per l'elaborazione dei risultati delle analisi di risposta sismica locale, si è provveduto alla realizzazione, in ambiente di calcolo Matlab, di un postprocessore che permettesse, a partire dagli accelerogrammi forniti in output da QUAD4M in punti preselezionati sul piano di campagna (con passo variabile tra circa 20 m e circa 2 m a seconda della topografia), di ricavare alcuni parametri rappresentativi del moto sismico e sette diversi fattori di amplificazione, definiti come il rapporto fra il valore di un parametro descrittivo del moto sismico relativo al segnale di output e il valore dello stesso parametro relativo al segnale di input (riferito ad affioramento rigido e piano di campagna orizzontale). Al fine di individuare il fattore di amplificazione più appropriato per la successiva stesura della carta di microzonazione sismica, è stato effettuato un confronto tra i diversi fattori. Si sono dunque analizzati il fattore in termini di accelerazione di picco (FPGA), il fattore in termini di intensità di Housner (integrale dello spettro di risposta elastico in pseudovelocità per uno smorzamento del 5%), nei due intervalli s (FHv ( ) ) e s (FHv ( ) ), i fattori FA e FV definiti dagli Indirizzi e criteri per la microzonazione sismica, il fattore in termini di integrale dello spettro di risposta elastico in pseudoaccelerazione per uno smorzamento del 5% nei due intervalli s (FHa ( ) ) e s (FHa ( ) ). Tali fattori sono tutti utilizzati per quantificare in maniera speditiva l entità degli effetti di sito, ed ancora la comunità scientifica dibatte riguardo alla loro affidabilità e alla loro significatività, ovvero alla loro capacità di prevedere gli effetti locali in occasione del terremoto atteso. Uno degli obiettivi della tesi è stato quello di fornire un contributo al dibattito relativo alla scelta del fattore di amplificazione più rappresentativo per la redazione di carte di microzonazione sismica, utilizzando le considerazioni svolte per l area di Barberino di Mugello. Pagina 3 di 6

4 Innanzitutto, si sono considerati uno per volta i fattori di amplificazione, confrontando i risultati ottenuti al variare dell'accelerogramma di input. In questo modo, è stato possibile osservare la stabilità dei diversi parametri lungo la sezione e la dispersione degli andamenti rispetto alla media; in secondo luogo, si sono confrontati gli andamenti medi dei vari fattori di amplificazione, in modo da giungere all individuazione di quello più adatto ai fini della microzonazione sismica del territorio di Barberino di Mugello. Le informazioni fornite da FPGA sono state considerate insufficienti, in quanto tale parametro fa riferimento ad un solo punto dell accelerogramma, senza dipendere in alcun modo né dal contenuto in frequenza né dalla durata del segnale. Per quanto riguarda i parametri relativi a periodi elevati (FHv ( ), FV, FHa ( ) ), sono state fornite soltanto indicazioni sommarie ai tecnici del CRPS, in quanto il campo di frequenze coperto è quello tipico di edifici relativamente flessibili, poco diffusi nel territorio in esame, dove sono presenti soprattutto strutture con un limitato numero di piani realizzate in muratura o in calcestruzzo armato. Il parametro FA (e ancor più il suo corrispondente riferito a periodi elevati, FV) manifesta una certa instabilità e una maggiore dispersione degli andamenti relativi ai diversi accelerogrammi rispetto alla media: questo lo rende meno affidabile, in quanto, prima di tutto, in condizioni di morfologia regolare (e quindi di assenza di effetti bidimensionali significativi) un buon fattore di amplificazione dovrebbe essere sostanzialmente costante, ed in secondo luogo perché una notevole variabilità dei valori a seconda dell accelerogramma utilizzato nell analisi non garantisce che i risultati ottenuti siano una buona stima del reale comportamento del sito nei confronti del terremoto atteso, la cui definizione è possibile soltanto con un elevato grado di incertezza. I parametri FHv ( ) e FHa ( ) sono, al contrario, stabili e non eccessivamente dipendenti dall input sismico: ciò li rende entrambi adatti alla stesura di una carta di microzonazione sismica. Tra di essi, si è suggerito ai tecnici del CRPS il secondo: esso, infatti, facendo riferimento allo spettro di risposta in pseudoaccelerazione, fornisce dei risultati più immediatamente spendibili ai fini della progettazione degli edifici (nella quale generalmente l azione sismica è definita appunto utilizzando lo spettro di risposta in pseudoaccelerazione). Va precisato che tali analisi, condotte su una scala piuttosto piccola (a livello di centro urbano) ed a fini pianificatori, non hanno il dettaglio richiesto dalla progettazione di un singolo manufatto; tuttavia, l accuratezza con cui esse sono state eseguite può rappresentare un utile supporto, tenuto conto anche della grande approssimazione con cui la risposta sismica locale è di solito considerata applicando la procedura semplificata indicata dalla normativa (D.M. 14/01/2008) in funzione della categoria di sottosuolo e topografica. Pagina 4 di 6

5 3. Impatto applicativo dei risultati ottenuti La carta di microzonazione sismica con approfondimenti del Comune di Barberino di Mugello è già in corso di elaborazione da parte dei tecnici del CRPS, utilizzando il fattore di amplificazione che lo studio ha dimostrato essere, almeno nel caso in esame il più appropriato, ovvero FHa ( ). Tale carta verrà poi utilizzata dall Ente locale nella definizione degli strumenti urbanistici: nelle zone a maggior pericolosità sismica locale le prescrizioni riguardo alle nuove costruzioni saranno più stringenti (in casi estremi, si impediranno nuove edificazioni), mentre più urgenti saranno gli interventi di adeguamento e miglioramento sismico sulle strutture di proprietà pubblica. Dato che il lavoro descritto nella tesi rappresenta la prima serie di analisi bidimensionali del Programma VEL nell'area del Mugello, esso costituisce un prototipo per tutte le analisi che verranno effettuate in futuro, a partire da quelle che riguardano la parte settentrionale dello stesso Comune di Barberino di Mugello e il vicino Comune di Vicchio di Mugello. Tali analisi, attualmente in corso di esecuzione, fanno riferimento alla metodologia messa a punto e descritta in questa tesi, sia per quanto riguarda la caratterizzazione geotecnica, sia per quanto riguarda la modellazione, sia per quanto riguarda i criteri di interpretazione e la rappresentazione dei risultati ottenuti. Per gli studi successivi, sarà possibile inoltre utilizzare i programmi di preprocessamento e postprocessamento realizzati sempre nell ambito di questa tesi, che hanno permesso di creare velocemente i file di input di QUAD4M e di ricavare facilmente dagli accelerogrammi di output gli andamenti dei fattori di amplificazione lungo le sezioni esaminate. 4. Rilevanza scientifica dei risultati ottenuti Questa tesi, insieme alle indagini condotte dalla Regione Toscana su cui essa si basa, rappresenta il più ampio e dettagliato studio sulla geomorfologia del sub-bacino tettonico di Barberino di Mugello, sulle caratteristiche geotecniche e sul comportamento dinamico del sottosuolo dell'area, nonché sugli effetti di sito che in esso possono manifestarsi. Inoltre, come già detto, la presente tesi ha fornito un contributo al dibattito, tuttora aperto, sulla significatività e l adeguatezza dei molti fattori di amplificazione proposti dalla comunità scientifica per la redazione di carte di microzonazione sismica. Essa ha inteso confrontare i più importanti di essi, analizzandone pregi e difetti ed identificando, almeno per il sito in esame, quello che sembra fornire i risultati più soddisfacenti, in termini di capacità di previsione degli effetti di sito in occasione del terremoto atteso. Pagina 5 di 6

6 5. Pubblicazioni Facciorusso J., Madiai C., Puliti A., Vannucchi G., Baglione M., Fabbroni P., D Intinosante V. (2012). Seismic microzonation of an urban settlement of central Italy: geological features and selection of a suitable amplification factor. Proceedings of the 2 nd International Conference on Performance-based Design in Earthquake Geotechnical Engineering. Taormina, May (paper accettato per la pubblicazione). Puliti A. (2012). Analisi 2-D di risposta sismica locale Il caso di Barberino di Mugello. Atti del II IAGIG (Incontro Annuale dei Giovani Ingegneri Geotecnici). Bologna, 4-5 maggio (paper inviato per l'accettazione). Pagina 6 di 6