Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale OGS, Trieste e Udine 2

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1 Scuotimento del suolo e scenari di danneggiamento relativi a un terremoto (Mw=6.1) simulato nella regione Friuli Venezia Giulia L. Moratto 1, G. Peressi 2 1 Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale OGS, Trieste e Udine 2 Protezione Civile della Regione Autonoma Friuli Venezia Giulia, Palmanova (UD) Introduzione. Utilizzando le localizzazioni e i parametri del moto del suolo forniti in tempo reale dalle reti sismometriche è possibile stimare in brevissimo tempo l ordine di grandezza delle perdite attese in termini di numero di abitazioni crollate, inagibili, danneggiate, nonché di vittime, feriti e senzatetto, per poter organizzare una prima risposta all emergenza in atto. Diversi sono gli applicativi sviluppati a tal fine che utilizzano correlazioni di vulnerabilità teoriche o empiriche assieme a database di elementi fisici (infrastrutture) o sociali (popolazione) esposti al rischio. Anche a fini esercitativi è importante generare uno scenario il più possibile realistico in modo da riprodurre le esigenze e le risorse da mettere a sistema per affrontare l emergenza. In questo contesto la Protezione Civile del Friuli Venezia Giulia ha svolto un esercitazione il 15 settembre 2016 in cui è stato simulato un terremoto di magnitudo 6.1 localizzato nella zona 460

2 pedemontana della regione; durante tale esercitazione il moto del suolo è stato calcolato con un approccio stocastico ed i risultati sono stati inseriti prima nel software ShakeMaps e, quindi, nel software ELER che genera scenari di danneggiamento. Le simulazioni stocastiche. Il moto del suolo è stato simulato utilizzando EXSIM, un algoritmo che usa un metodo stocastico con un modello di faglia finita (Boore, 2005, 2009; Motazedian e Atkinson, 2005); questo approccio simula lo scuotimento relativo alle onde S che spesso sono la parte del moto del suolo più importante nella stima della pericolosità sismica. Il software è basato su una combinazione di descrizioni sia parametriche che funzionali dello spettro in ampiezza del segnale mentre lo spettro in fase è generato come rumore bianco opportunamente modellato da una finestra temporale predefinita. Gli effetti della propagazione dalla sorgente al ricevitore sono modellati considerando il geometrical spreading, l attenuazione anelastica, e gli effetti di durata sul moto del suolo (Boore, 2009). Nel caso di terremoti forti, gli effetti di sorgente estesa come la geometria della faglia, la disomogeneità nello slip e la direttività influenzano in modo rilevante lo scuotimento del suolo ed i parametri del moto che lo caratterizzano (es. la durata del segnale, il contenuto in frequenza e l ampiezza). EXSIM tiene conto della sorgente estesa dividendo il piano di faglia rettangolare in piccole celle che vengono considerate come sorgenti puntiformi: la rottura inizia all ipocentro o nucleazione e si propaga con un modello cinematico attivando le varie celle che compongono l area di rottura. Infine, il moto del suolo totale simulato per ogni ricevitore si ottiene sommando il contributo di ciascuna cella dell area di rottura, calcolato con l approccio stocastico utilizzando il modello di sorgente puntiforme con un adeguato tempo di ritardo rispetto alla nucleazione (Boore, 2005). Motazedian e Atkinson (2005) hanno introdotto il modello dinamico per la corner frequency che dipende dal tempo ed è controllata dalla propagazione della rottura; tutto ciò consente di conservare l energia irradiata da alte frequenze indipendentemente dalle dimensioni delle celle in cui è suddivisa l area di rottura. Si noti che le ampiezze spettrali ad alta frequenza sono controllate dal parametro dello stress drop, mentre la percentuale di area irradiante definisce il livello degli spettri alle frequenze più basse; questi due parametri devono essere adeguatamente calibrati per ogni area di studio considerata. L efficacia dei sismogrammi stocastici, inclusi gli effetti di faglia finita è stata ampiamente dimostrata e discussa in studi precedenti (Moratto e Saraò, 2012; Santulin et al., 2012; Moratto et al., 2015). In questo studio le simulazioni sono state calcolate per un terremoto di Mw=6.1 con l ipocentro posizionato 1 km a ENE di Clauzetto (PN). Il meccanismo focale è stato ricavato dal database SHARE selezionando la sorgente ITCS062 Maniago-Sequals (Basili et al., 2013); le dimensioni dell area di rottura sono state derivate da Wells and Coppersmith (1994). Gli altri parametri rappresentanti la sorgente estesa come la direttività (quindi la posizione dell area di rottura attorno alla nucleazione) e la distribuzione di momento sismico sono stati fissati in modo stocastico dal software EXSIM. I parametri rappresentanti gli effetti di propagazione sono stati ricavati dallo studio di Malagnini et al. (2002). I segnali sono stati calcolati per 78 siti che identificano le stazioni sismologiche operanti nell Italia nord-orientale gestite da OGS (42 ricevitori), dall Università di Trieste (21 ricevitori) o da altri enti appartenenti alla rete transfrontaliera (15 ricevitori); sono state considerate solamente le stazioni con una distanza dalla sorgente inferiore a 100 km. I valori di PGA, PGV e degli spettri di risposta sono stati estratti dalle simulazioni ed usati come input per la generazione delle ShakeMaps. ShakeMaps. Le ShakeMaps sono generate in tempo reale per l area dell Italia nord-orientale utilizzando il codice di calcolo sviluppato dall USGS (Wald et al., 1999; Worden et al., 2010); tale software calcola le mappe di scuotimento del suolo per PGA, PGV e gli spettri di risposta (calcolati a 0.3, 1.0, e 3.0 sec), e per l intensità strumentale entro pochi minuti dal verificarsi di un evento sismico. Le ShakeMaps integrano i dati registrati con le stime teoriche ricavate dalle leggi di attenuazione empiriche e l applicazione di eventuali fattori di amplificazioni correlati alla presenza di effetti di sito (Moratto et al., 2009); il software è stato configurato con 461

3 GNGTS 2016 Sessione 2.3 Fig. 1 Mappe di scuotimento relative al terremoto di magnitudo 6.1 per PGA (in alto a sinistra), PGV (in alto a destra) ed intensità strumentale calcolata con le relazioni di Worden et al. (2012; in basso a sinistra) e Faenza and Michelini (2010; in basso a destra). i parametri proposti da Michelini et al. (2008), validi per tutto il territorio nazionale. L obiettivo principale della generazione delle ShakeMaps in tempo reale è quello di fornire informazioni che siano di supporto alla Protezione Civile in caso di un forte terremoto; quindi le ShakeMaps rappresentano una prima stima dello scuotimento del suolo registrato e stimato, disponibile pochi minuti dopo l evento sismico. In questo studio abbiamo generato le ShakeMaps per i parametri del moto estratti dalle simulazioni (Fig. 1); la mappa di scuotimento mostra una PGA superiore a 0.5 g nell area epicentrale mentre, nella medesima zona, i valori di PGV sono superiori a 30 cm/s. Fig. 2 mostra che i valori di PGA e PGV ricavati dalle simulazioni sono comparabili con quelli 462

4 Fig. 2 Confronto fra i valori di PGA (a sinistra) e PGV (a destra) ricavati dalle simulazioni stocastiche (triangoli) e le stime ottenute applicando le relazioni empiriche (linee verdi) di Akkar and Bommer (2010). calcolati utilizzando le leggi empiriche predittive del moto (Akkar e Bommer, 2010); inoltre EXSIM riesce a riprodurre la variabilità dello scuotimento che spesso viene osservata in campo vicino. Le mappe di intensità (Fig. 2) sono state derivate dai valori di PGV applicando le relazioni proposte da Worden et al. (2012) e Faenza e Michelini (2010): nel secondo caso i valori di intensità risultano mediamente più alti di quasi un grado a causa della diversa relazione utilizzata (Moratto et al., 2011). Scenari di danno. Mentre il Dipartimento della Protezione Civile (DPC) utilizza un software denominato SIGE (Sistema Informativo per la Gestione dell Emergenza) che consente di calcolare le perdite umane e materiali subite dagli elementi a rischio, ai fini esercitativi è stato utilizzato il software ELER che, in maniera simile, utilizza dei database degli elementi a rischio combinandoli con relazioni analitiche di vulnerabilità e modelli di danneggiamento (Sabetta et al., 2011). Sebbene il software permetta di stimare anche lo scenario di scuotimento con diverse metodologie, in questo studio sono stati utilizzati come input i risultati prodotti dalle ShakeMaps ed in particolare le stime di intensità macrosismica generate utilizzando le relazioni empiriche proposte da Worden et al. (2012) e Faenza e Michelini (2010). Il programma può lavorare su 3 diversi livelli di dettaglio: 1. il livello 0 fornisce stime approssimative del numero di vittime; 2. il livello 1 calcola, sulla base di relazioni empiriche e dell intensità macrosismica, il numero di edifici danneggiati e la popolazione coinvolta; 3. il livello 2 utilizza metodi analitici che constano dell incrocio tra spettri di domanda e spettri di capacità secondo il metodo HAZUS-MH attraverso un database creato dalla correlazione tra le 7 tipologie edilizie ricavate dal censimento ISTAT e le 31 tipologie utilizzate dal metodo HAZUS-MH. Lo scenario esercitativo è stato creato con il livello 1 che calcola il danneggiamento utilizzando la Scala Macrosismica Europea (EMS-98) utilizzando cinque categorie (0 nessun danno; 1 leggero; 2 moderato; 3 grave; 4 molto grave; 5 distruttivo) e che permette di stimare il numero di abitazioni crollate, inagibili e danneggiate secondo il seguente schema: Tab. 1 Schema utilizzato per la stima dei danneggiamenti sulle abitazioni. ABITAZIONI CROLLATE ABITAZIONI INAGIBILI ABITAZIONI DANNEGGIATE 100% D5 100% D4 + 40% D3 100% D2 + 60% D3 463

5 Vengono poi stimate le conseguenze sulla popolazione in funzione del danno sull edificato tramite delle correlazioni empiriche proposte per il territorio italiano (Lucantoni et al., 2001). Tab. 2 Schema utilizzato per la stima delle conseguenze sulla popolazione. VITTIME FERITI SENZATETTO 30% D5 70% D5 + 40% D4 70% D % D4 + 30% D3 In particolare per la scossa simulata di magnitudo 6.1 del giorno 15 settembre lo scenario che si ricava considerando le due diverse relazione per ricavare l intensità è il seguente: Tab. 3 Stima dei danneggiamenti sulle abitazioni nel caso dello scenario di magnitudo Mw=6.1. RELAZIONE ABITAZIONI ABITAZIONI ABITAZIONI INTENSITà CROLLATE INAGIBILI DANNEGGIATE 100% D5 100% D4 + 40% D3 100% D2 + 60% D3 Worden et al. (2012) Faenza & Michelini (2010) Tab. 4 Stima delle conseguenze sulla popolazione nel caso dello scenario di magnitudo Mw=6.1. RELAZIONE INTENSITà VITTIME FERITI SENZATETTO 30% D5 70% D5 + 40% D4 70% D % D4 + 30% D3 Worden et al. (2012) Faenza & Michelini (2010) Fig. 3 Distribuzione delle classi di danno D4 e D5 per la scossa simulata del 15 settembre (la scala rappresenta il numero delle unità strutturali coinvolte) con le relazioni di Worden et al. (2012; a sinistra) e Faenza and Michelini (2010; a destra). Si può notare come le perdite umane ed i danneggiamenti sulle abitazioni siano estremamente maggiori nel caso della relazione di Faenza e Michelini (2010) in quanto il campo macrosismico presenta valori molto più forti rispetto a Worden et al. (2012) in particolare nell area epicentrale. Conclusioni. Lo scuotimento del suolo e gli scenari di danneggiamento sono stati generati per l esercitazione della Protezione Civile del Friuli Venezia Giulia in cui è stato simulato un terremoto di magnitudo 6.1. I risultati ottenuti mostrano che il danneggiamento stimato è 464

6 fortemente correlato con l utilizzo di differenti relazioni empiriche che calcolano l intensità macrosismica dai valori di PGV; la variabilità associata a queste relazioni di conversione è molto alta a causa della definizione intrinseca di intensità macrosismica e al fatto che esse sono state calibrate in aree geografiche differenti dove il numero di osservazioni disponibili nel campo delle intensità più forti può essere statisticamente povero. Pertanto risulta difficile ottenere stime stabili di intensità generando il campo macrosismico dai valori del moto ottenuti dalle registrazioni strumentali. Inoltre questa esercitazione ci ha permesso di testare la procedura che dalla prima localizzazione e dai parametri del moto ottenuti dai segnali registrati (simulati in questo caso) ci permette di ottenere una stima in tempo reale dello scuotimento del suolo e, quindi, gli scenari di danneggiamento attesi. Bibliografia Akkar S. and Bommer J.J.; 2010: Empirical equations for the prediction of PGA, PGV and spectral accelerations in Europe, the Mediterranean region and the Middle East. Seism. Res. Lett., 81, Basili R., Kastelic V., Demircioglu M.B., Garcia Moreno D., Nemser E.S., Petricca P., Sboras S.P., Besana-Ostman G.M., Cabral J., Camelbeeck T., Caputo R., Danciu L., Domac H., Fonseca J., García-Mayordomo J., Giardini D., Glavatovic B., Gulen L., Ince Y., Pavlides S., Sesetyan K., Tarabusi G., Tiberti M. M., Utkucu M., Valensise G., Vanneste K., Vilanova S. and Wössner J.; 2013: The European Database of Seismogenic Faults (EDSF) compiled in the framework of the Project SHARE. doi: /INGV.IT-SHARE-EDSF. Boore D.M.; 2005: SMSIM - Fortran programs for simulating ground motions from earthquakes: version 2.3 A Revision of OFR A. Open-File Report , U.S. Geol. Surv., 55 pp., available from the online publications link on Boore D.M.; 2009: Comparing stochastic point-source and finite-source ground motion simulations: SMSIM and EXSIM. Bull. Seismol. Soc. Am., 99, Faenza L. and Michelini A.; 2010: Regression analysis of MCS intensity and ground motion parameters in Italy and its application in ShakeMap. Geophys. J. Int., 180, Lucantoni A., Bosi V., Bramerini F., De Marco R., Lo Presti T., Naso, G. and Sabetta, F.,; 2001: Il rischio sismico in Italia, Servizio Sismico Nazionale, Ingegneria Sismica, anno XVIII-N. 1 Malagnini L., Akinci A., Herrmann R.B., Pino N.A. and Scognamiglio L.; 2002: Characteristics of the ground motion in Northeastern Italy. Bull. Seismol. Soc. Am., 92, Michelini A., Faenza L., Lauciani V. and Malagnini, L.; 2008: ShakeMap implementation in Italy. Seism. Res. Lett., 79, Moratto L., Costa G. and Suhadolc P.; 2009: Real-time generation of ShakeMaps in Southeastern Alps. Bull. Seismol. Soc. Am., 99, Moratto L., Suhadolc P., and Costa G.; 2011: ShakeMaps for three relevant earthquakes in the Southeastern Alps: comparison between instrumental and observed intensities. Tectonophysics, 509, Moratto L. and Saraò A.: 2012: Improving ShakeMap performance by integrating real with synthetic data: tests on the 2009 Mw=6.3 L Aquila earthquake (Italy). J. Seismology, 16, Moratto L., Vuan A. and Saraò A.: 2015: A hybrid approach for broadband simulations of strong ground motion: the case of the 2008 Iwate-Miyagi Nairiku earthquake. Bull. Seismol. Soc. Am., 105, Motazedian D. and Atkinson G.M.; 2005: Stochastic finite-fault modeling based on a dynamic corner frequency. Bull. Seismol. Soc. Am., 95, Sabetta F., Ferlito R., Martini M.G., Piersimoni M., 2011: Nuovi strumenti per la valutazione degli scenari di scuotimento e di danno. Atti del 30 Convegno Nazionale GNGTS, Trieste, pp Santulin M., Moratto L., Saraò A. and Slejko D.; 2012: Ground motion modelling including finite fault and 1D site effects in north-eastern Italy. Boll. Geof. Teor. Appl., 53, Wald D.J., Quitoriano V., Heaton T.H., Kanamori H., Scrivner C.W. and Worden C.B.; 1999: TriNet ShakeMaps : rapid generation of peak ground motion and intensity maps for earthquakes in Southern California. Earthquake Spectra, 15, Wells D.L. and Coppersmith K.J.; 1994: New empirical relationships among magnitude, rupture length, rupture width, rupture area and surface displacement. Bull. Seism. Soc. Am., 84, Worden C.B., Wald D.J., Allen T.I., Lin K., Garcia D. and Cua, G.; 2010: A revised ground-motion and intensity interpolation scheme for ShakeMap. Bull. Seism Soc. Am., 100, Worden C.B., Gerstenberger M.C., Rhoades D.A., and Wald D.J.; 2012: Probabilistic relatiosnhips between groundmotion parameters and Modified Mercalli Intensity in California. Bull. Seism Soc. Am., 102,