Metodi numerici e sperimentali per la valutazione dell amplificazione del moto sismico

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1 Metodi numerici e sperimentali per la valutazione dell amplificazione del moto sismico - Numerical and experimental methods for estimating ground motion amplifications Alessandro Pagliaroli CNR-IGAG, Istituto di Geologia Ambientale e Geoingegneria

2 METODI PER LA VALUTAZIONE QUANTITATIVA DELL AMPLIFICAZIONE DEL MOTO SISMICO metodi empirici metodi approssimati pratici e poco costosi si utilizzano per valutazioni di massima e/o in situazioni semplici metodi sperimentali metodi numerici più costosi si utilizzano per valutazioni più accurate e per situazioni complesse Valutazione della RSL per fini di Microzonazione Sismica di livello 3 (ICMS, 2008)

3 METODI SPERIMENTALI Basati sull analisi di rapporti spettrali di registrazioni che possono essere generate da: terremoti ad elevato contenuto energetico (strong motion) terremoti deboli (weak motion), ad. es. aftershocks rumore ambientale (microtremori) sorgenti artificiali (esplosioni) sito di riferimento : privo di effetti di sito (sia stratigrafici che topografici) e prossimo al sito di studio Condizione molto restrittiva in pratica (Steidl et al., 1996) sito di riferimento basamento

4 METODI SPERIMENTALI: tecniche SSR e GIT SSR (Standard Spectral Ratio): rapporto tra lo spettro di Fourier relativo al sito da caratterizzare e quello relativo al sito di riferimento, per la stessa componente del moto e per lo stesso evento sismico (Borcherdt, 1970) GIT (Generalized Inversion technique) è una generalizzazione della SSR, applicabile a registrazione relative ad eventi differenti; consente la stima dei termini di sorgente e propagazione

5 METODI SPERIMENTALI: tecnica HVSR Non richiede stazione di riferimento Consiste nel calcolare il rapporto tra gli spettri di Fourier della componente orizzontale e di quella verticale del moto in una data stazione a(t) comp. orizzontale a(t) comp. verticale storie temporali A(f) A(f) tempo deposito di terreno basamento roccioso spettri di Fourier frequenza A orizz /A vert Funzione ditrasferimento o rapporto spettrale HVSR 1 Applicata a: onde S in registrazioni weak/strong motion (Lermo e Chavez-Garcia 1993) microtremori (Nakamura 1989) si mostra generalmente efficace nella stima della frequenza fondamentale del sito mentre fallisce nell individuazione delle altre frequenze naturali non può essere usata per stime quantitative dell amplificazione

6 METODI NUMERICI 1. definizione del modello di sottosuolo geometria del deposito e caratteristiche geotecniche dei terreni (peso dell unità di volume, velocità delle onde di taglio V S, coefficiente di Poisson ) per analisi non lineari parametri descrittivi del comportamento ciclico (ad. es. curve G/G 0 - e D-) 2. definizione dell input sismico al basamento accelerogrammi compatibili con lo spettro di risposta su roccia derivante da studi probabilistici, deterministici o da normativa 3. scelta di un codice di calcolo ed elaborazione dei risultati Moto sismico su roccia affiorante (outcrop) a max,r a(t) a max,s t S a,s Periodo, T V s a max max Deposito Schema a strati orizzontali G/G 0 D (%) z z z

7 MICROZONAZIONE MEDIANTE METODI SPERIMENTALI Microzonazione sismica di Potenza (Strollo et al., 2011) Metodologia: Registrazione di terremoti (M= , d= 5-71 km) mediante una rete sismica di 14 stazioni per un periodo di 7 mesi Scelta della stazione di riferimento (considerazioni geologiche e esame dei HVSR calcolati su weak-motion e rumore ambientale) Confronto stime quantitative ottenute con tecniche SSR e GIT Calcolo dei fattori di amplificazione medi nelle 14 stazioni in termini di intensità di Housner (SIR, Spectral Intensity Ratio) Misure di rumore ambientale in 233 siti Estensione dei fattori di amplificazione ai 233 siti sulla base della calibrazione eseguita nelle 14 stazioni dove erano disponibili SIR/HVSR

8 MICROZONAZIONE MEDIANTE METODI SPERIMENTALI

9 MICROZONAZIONE MEDIANTE METODI SPERIMENTALI Aspetti critici Scelta della stazione di riferimento Copertura da parte della rete sismica delle diverse condizioni geologiche, geotecniche e morfologiche Costi di gestione e manutenzione elevati su lunghi periodi (mesi) Incertezza sulla estensione di informazioni quantitative (SIR) mediante l utilizzo dei rapporti HVSR calcolati su rumore Fattori di amplificazione sono calcolati in campo essenzialmente lineare: la non linearità del comportamento ciclico dei terreni è trascurata (a meno della disponibilità di registrazioni strongmotion)??

10 MICROZONAZIONE MEDIANTE METODI NUMERICI Microzonazione sismica di Castelnuovo Garfagnana (Progetto VEL, Lo Presti et al., 2002) Metodologia (livello 3, ICMS, 2008): Modello geologico Caratterizzazione del comportamento dinamico dei terreni mediante prove geofisiche (dirette-indirette) e prove geotecniche di laboratorio (cicliche/dinamiche) Definizione dell input sismico (approccio probabilistico, accelerogrammi artificiali spettrocompatibili) Esecuzione di analisi numeriche di risposta locale 1D/2D lineari equivalenti Calcolo dei fattori di amplificazione (in termini di intensità di Housner) e degli spettri di risposta

11 MICROZONAZIONE MEDIANTE METODI NUMERICI

12 MICROZONAZIONE MEDIANTE METODI NUMERICI Aspetti critici Incertezze nel modello di sottosuolo: morfologia sepolta, posizione del basamento sismico, proprietà cicliche dei materiali (specie litotipi non campionabili), variazione nello spazio delle caratteristiche meccaniche, Input sismico: approccio probabilistico/deterministico, segnali naturali/artificiali (artificiali non ammessi dalle NTC-08), deconvoluzione, numero dei segnali Consapevolezza dell operatore su potenzialità e limiti dei codici di calcolo (modelli costitutivi, condizioni al contorno, ) Scelta dell ubicazione delle sezioni/verticali di calcolo e estrapolazione areale dei risultati??

13 Metodi sperimentali vs. numerici Metodi sperimentali Metodi numerici Consentono una misura diretta di tutti gli effetti di sito relativamente economici (se limitati ai microtremori) Consentono di modellare situazioni molto complesse per morfologia (superficiale e profonda) e comportamento dei terreni (non linearità, liquefazione, instabilità...) Valutano la risposta in campo essenzialmente lineare e per gli eventi esaminati (difficoltà di estendere i risultati) Costosi se applicati ad eventi weak-strong motion e su aree estese Difficoltà nell individuazione della stazione di riferimento (SSR) Non possibili stime quantitative dell amplificazione (HVSR) Costosi: richiedono in ingresso una conoscenza dettagliata del sito, delle proprietà geotecniche dei terreni, dell input Richiedono un modello di sottosuolo affidabile Richiedono elevata professionalità da parte dell utilizzatore

14 POSSIBILE INTEGRAZIONE DI METODI NUMERICI E SPERIMENTALI Risposta sismica locale di San Giuliano (Lanzo e Pagliaroli, 2009) Longitudinal cross-section 100 m SG-R SG-S a2 10 ma1 a1 a2 a3 a3 Model A a3 a4

15 POSSIBILE INTEGRAZIONE DI METODI NUMERICI E SPERIMENTALI PGA (g) Modello A Abitato Aftershock #1 #3 #5 calcolato registrato Calibrazione quantitativa del modello 2D sulla base delle registrazioni degli aftershock (campo lineare) SG-S WSW a1-a2 Distanza (m) ENE a3 a4 S a (g) / PGA SG-R evento #1 = 5% Analisi 1D Analisi 2D evento #3 = 5% SG-S (recorded) SG-R (recorded) evento #5 = 5% Periodo (s) Periodo (s) Periodo (s)

16 POSSIBILE INTEGRAZIONE DI METODI NUMERICI E SPERIMENTALI Modello A Accelerogramma sintetico - NS (PGA=0.116g) SANNICANDRO - NS (scalato a 0.116g) zona di recente edificazione Simulazione del mainschock PGA (g) centro storico = 5% Acc. sintetico - NS SNN - NS 0.1 S a (g) SSE Distanza (m) NNW SG-S a1-a2 SG-R Periodo(s) a3 a4

17 POSSIBILE INTEGRAZIONE DI METODI NUMERICI E SPERIMENTALI Calibrazione parziale del modello 2D sulla base del confronto tra funzioni di amplificazione e frequenze fondamentali sperimentali NON in termini di ampiezza e frequenze naturali superiori alla fondamentale! Microzonazione sismica di Poggio Picenze (Lanzo et al., 2011)

18 POSSIBILE INTEGRAZIONE DI METODI NUMERICI E SPERIMENTALI

19 OSSERVAZIONI CONCLUSIVE Una microzonazione sismica di livello 3 richiede la valutazione quantitativa dell amplificazione del moto sismico Questa può essere effettuata mediate metodi sperimentali e metodi numerici Ciascuna metodologia ha potenzialità e limiti Metodi sperimentali: consentono di misurare la misura diretta degli effetti di sito ma i risultati sono generalizzabili con difficoltà Metodi numerici: quantificano la risposta sismica in condizioni comunque complesse e per qualsiasi scenario ma richiedono un modello di sottosuolo affidabile Integrazione: il confronto tra moto registrato e calcolato consente di verificare e aggiornare iterativamente il modello di sottosuolo