GNGTS 2013 SeSSione 2.2

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1 microzonazione SiSmiCa di umbertide: analisi SPErimENtalE E. Priolo 1, r. de franco 2, C. Barnaba 1, G. Boniolo 2, G. Caielli 2, a. Corsi 2, G. laurenzano 1, a. morrone 2, a. motti 3, P. ragazzo 2, m. romanelli 1, a. tento 2 1 OGS (Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale), Centro di Ricerche Sismologiche, Udine Trieste 2 CNR, Istituto per la Dinamica dei Processi Ambientali, Milano 3 Regione Umbria, Servizi Tecnici Regionali, Direzione Regionale Ambiente, Territorio e Infrastrutture, Perugia Viene qui presentato uno studio geofisico-sismologico finalizzato alla stima sperimentale dell amplificazione sismica e alla microzonazione della città di Umbertide. Lo studio è stato svolto congiuntamente dall OGS, Sezione Scientifica Centro di Ricerche Sismologiche, e dal CNR, Istituto per la Dinamica dei Processi Ambientali (IDPA), su incarico del Servizio Geologico della Regione Umbria. Lo studio è terminato e i risultati sono descritti nel rapporto inviato alla Regione Umbria (Priolo et al., 2013) e saranno pubblicati a breve in un volume monografico. Questo contributo ne riassume gli aspetti principali. Le attività sono consistite nelle seguenti indagini: 1) stime di rapporti spettrali H/V da registrazioni di rumore sismico ambientale; 2) stime della risposta spettrale di sito da registrazioni di terremoti; 3) caratterizzazione del profilo verticale di velocità Vs da indagini sismiche di superficie. La Fig. 1 visualizza le posizioni in mappa di tutte le stazioni di misura relative ai diversi tipi di indagine effettuati. Rapporti spettrali H/V. L acquisizione di rumore ambientale è stata pianificata ed eseguita per ottenere indicazioni sulla distribuzione areale degli effetti di amplificazione sismica locale con particolare riferimento all individuazione della frequenza fondamentale, e per integrare ed estendere arealmente le amplificazioni stimate sperimentalmente dalle registrazioni di terremoti. L intervento, svolto dall IDPA, consiste nell acquisizione e analisi del rumore sismico ambientale in 83 siti ubicati all interno dell area urbana di Umbertide secondo una griglia approssimativamente regolare; circa 12 siti situati in aree periferiche; un acquisizione lungo un array lineare composto da 5 stazioni. Si sono così ottenuti tredici profili orientati SW- NE che coprono la parte del centro storico di Umbertide. I rapporti spettrali H/V si presentano 306

2 GNGTS 2013 Sessione 2.2 Fig. 1 Mappa dell area studio. In alto sono indicati i siti delle stazioni di registrazione dei terremoti. I tre siti di riferimento sono indicati in giallo. La curva verde delimita l area urbana di Umbertide. Nella mappa in basso sono indicati i siti di registrazione del rumore sismico ambientale (in rosso e in giallo), e la posizione dei tre siti d indagine Vs (in azzurro). 307

3 spesso in forma bi-modale, con un nodo la cui frequenza varia da sito a sito ma si posiziona in genere fra 1.2 Hz e 2 Hz. La risposta in bassa frequenza (frequenze inferiori a 1.2 Hz) è interpretata con la presenza di una discontinuità alla scala del bacino, verosimilmente posta a una profondità maggiore di 50 m e caratterizzata da un buon contrasto d impedenza. La risposta a frequenze variabili maggiori di 2 Hz, spesso diversificata in più picchi, è legata generalmente alla presenza di discontinuità con basso contrasto di impedenza e bassa eterogeneità laterale nei primi m. Tali risposte costituiscono di fatto quelle di interesse ingegneristico. Mentre il lobo in bassa frequenza è presente nella maggior parte dei siti, anche esterni all area urbana d altro canto, trattandosi di discontinuità più profonde è verosimile che queste caratterizzino gran parte dell area misurata, il picco in frequenza medio-alta (1-8Hz) all interno del bacino è molto debole se non inesistente mentre diventa evidente lungo i margini esterni SO e NE. Un andamento simile si riscontra nella banda in alta frequenza (8-20 Hz), dove i picchi H/V sono in genere di modesta entità eccetto che localmente per alcuni siti. Ciò avvalora l interpretazione di uno spessore dei sedimenti alluvionali che si riduce progressivamente verso il bordo. Stima della risposta di sito da registrazioni di terremoti. Al fine di stimare la risposta sismica locale è stata realizzata una rete temporanea di stazioni sismometriche, per un totale di 20 siti, di cui 3 scelti come siti di riferimento. Quest attività è stata svolta dall OGS con la collaborazione dell Osservatorio Sismico A. Bina di Perugia. Tutti i siti sono stati equipaggiati con strumentazione simile, consistente in acquisitore digitale a 24 bit REFTEK 130 e sismometro a tre componenti Lennartz 3D Lite-1s con periodo proprio di 1 s. Il periodo di acquisizione è stato suddiviso in due fasi: un primo gruppo di 10 stazioni (tutte collocate all interno del perimetro urbano di Umbertide eccetto che per due siti di riferimento) sono rimaste in acquisizione nel periodo marzo-settembre 2012, mentre un secondo gruppo di stazioni, posizionate all esterno dell area urbana, hanno registrato nel periodo settembre febbraio 2013 (alcune stazioni sono state mantenute in tutto il periodo negli stessi siti per continuità). Il reperimento di siti di riferimento è stato uno degli aspetti critici di questo studio, in quanto non si trovavano siti con caratteristiche adatte a breve distanza da Umbertide. Alla fine, sono stati selezionati 3 siti, posti fuori dall area urbana, che sono stati utilizzati insieme, Fig. 2 A sinistra: spettro di risposta di accelerazione lisciato per il sito UM04 (curva nera). La figura mostra anche lo spettro di risposta specifico di sito (curva verde) e lo spettro di risposta cui è applicato lo smoothing (blu), che è dato in pasto alla procedura di lisciatura. Sono poi mostrati, per riferimento, gli spettri di normativa NTC-08 per le varie classi di suolo (rispettivamente, A = blu, B = rosso, C = verde, D = rosa, E = azzurro). A destra: amplificazione di risposta spettrale (linea grigia) stimata per lo stesso sito UM04 e messa a confronto con le amplificazioni dedotte dagli spettri di normativa. 308

4 creando un sito di riferimento virtuale. L estrazione delle registrazioni di terremoti dai dati di forme d onda in continuo è effettuata sulla base della lista degli eventi del Bollettino nazionale dei terremoti (ISIDe Working Group INGV, 2010) sulla base di criteri di selezione empirica. Le forme d onda estratte vengono quindi raccolte e organizzate per ogni stazione e ogni singolo evento. La prima fase di registrazione è stata caratterizzata dall intensa sequenza sismica emiliana, che è stata registrata integralmente. La seconda fase, si presenta maggiormente caratterizzata da eventi regionali o distanti rispetto a eventi locali. Per ogni sito sono state calcolate le curve di amplificazione utilizzando il metodo dei rapporti spettrali rispetto al sito di riferimento. È stata applicata una tecnica basata su procedure d inversione GIT (Andrews, 1986), che permette l uso di registrazioni asincrone, ovvero anche di eventi non registrati in contemporanea dal sito investigato e dai siti di riferimento. Considerando la tipologia di sismometri a corto periodo usati (Lennartz 3D-1s, con periodo proprio T = 1 s) e gli scopi di questo studio, la banda di frequenza risolta è Hz. In generale, per la maggior parte dei siti, si riconosce una coerenza tra le varie curve, con un livello di amplificazione non trascurabile anche se non molto elevato, in particolare a frequenze minori di 1 Hz. Presso alcuni siti, alcune registrazioni sono affette da segnali di natura locale. Queste situazioni possono essere corrette manualmente solo in alcuni casi, mentre in altri casi la misura è stata scartata. Il calcolo degli spettri di risposta specifici di sito si svolge secondo la seguente procedura (come previsto dalle Norme Tecniche per le Costruzioni NTC (2008): 1) input sismico: 5 storie temporali selezionate da Pergalani e Compagnoni (2013) per le modellazioni numeriche; 2) calcolo delle accelerazioni al sito attraverso la convoluzione delle storie temporali con le amplificazioni spettrali specifiche di sito (GIT); 3) calcolo degli spettri di risposta; 4) calcolo dello spettro di risposta medio specifico di sito; 5) confronto con spettri di progetto e fattori di amplificazione di normativa. Fig. 3 Fattori di amplificazione stimati dalle registrazioni di terremoti (i siti sono indicati con i rispettivi nomi) nella banda s nell area urbana di Umbertide. 309

5 Per la scelta degli accelerogrammi registrati sono state selezionate 5 storie accelerometriche utilizzate sulla base di coerenza in termini di - sismicità storica di Umbertide e caratteristiche sismogenetiche della sorgente (meccanismo distensivo faglia normale); - coppia magnitudo-distanza dalla sorgente; - massima accelerazione orizzontale attesa (0.222 g); - spettro-compatibilità con lo spettro di target corrispondente allo spettro di risposta previsto per la categoria di sottosuolo A. Inoltre sono state selezionate solo le registrazioni effettuate su bedrock sismico (sottosuolo di categoria A). Le registrazioni scelte sono state oggetto di scalatura, in quanto i valori del picco di accelerazione di ciascun accelerogramma risultavano leggermente inferiori rispetto al valore medio ponderale atteso al sito. Dalla convoluzione di ognuna delle serie temporali assunte come azione sismica con le amplificazioni spettrali calcolate con il GIT vengono ottenuti gli spettri di risposta e lo spettro di risposta medio specifico di sito. Gli spettri lisciati sono ottenuti mediante lisciatura degli spettri di risposta medi specifici di sito. La procedura di lisciatura degli spettri di risposta medi adottata in questo studio è aderente a quanto riportato negli Indirizzi e Criteri per la Microzonazione Sismica (Gruppo di Lavoro MS, 2008). Essa prevede, tra l altro, che gli spettri di risposta di sito siano preventivamente sottoposti a uno smoothing in modo da ridurre eventuali irregolarità. La Fig. 2 a sinistra mostra, come esempio, lo spettro di risposta di accelerazione lisciato per il sito UM04. Si nota, ad esempio, che sia il livello di accelerazione di ancoraggio sia il valore di plateau eccedono tutti gli spettri previsti da normativa anche per le condizioni di suolo peggiori. Tuttavia, dal periodo di circa s lo spettro si avvicina molto a quello di normativa di classe D. Le amplificazioni di risposta spettrale sono calcolate dal rapporto tra gli spettri di risposta in accelerazione specifici di sito e lo spettro di risposta medio relativo all azione sismica utilizzata in input. Queste sono, a nostro parere, le quantità più importanti per la valutazione della risposta sismica locale. Infatti, queste amplificazioni possono essere confrontate direttamente con le amplificazioni dedotte dagli spettri di normativa per le differenti classi di suolo. La Fig. 2 a destra mostra, come esempio, l amplificazione di risposta spettrale stimata per il sito UM04. Si riconosce un elevato livello di amplificazione nella banda dei corti periodi fino a circa 1.5 s, mentre decade rapidamente per periodi più elevati. I fattori di amplificazione sono calcolati per ogni sito come media dei rapporti tra l Intensità di Housner (SI) delle storie accelerometriche ottenute al singolo sito rispetto alle SI dei singoli terremoti selezionati in input, per le tre seguenti bande di periodi: 1) s; 2) s; 3) s. La Fig. 3 mostra la distribuzione dei fattori di amplificazione del centro di Umbertide per la prima banda considerata. L immagine mostra un progressivo aumento del fattore amplificativo procedendo da SO verso NE. Si noti che i valori dei fattori di amplificazione non sono trascurabili anche nelle zone dove i rapporti H/V risultano piatti nella banda di frequenze di maggior interesse (1-8 Hz), come ad esempio all interno del bacino. Indagini di velocità delle onde S. Il CNR-IDPA ha effettuato indagini con tecniche MASW/Remi per determinare il profilo verticale di velocità delle onde S (Vs) presso 3 siti (Fig. 1, in basso). Per l acquisizione dei profili è stata utilizzata una strumentazione a 48 canali costituita da 2 acquisitori digitali Geode Geometrics a 24 canali e a 24 bit gestiti da una unità centrale Stratavisor-NZ Geometrics. I cavi sono stati strumentati con 48 geofoni verticali con frequenza propria di 4.5 Hz. Per la tecnica MASW, l energizzazione sismica è stata effettuata utilizzando una mazza da 5 kg. Si è usato un campionamento a 1000 Hz e una lunghezza delle tracce di 2 s. Per quanto riguarda il metodo Remi, per ogni sito sono state acquisite almeno 3 registrazioni passive di microtremori con lunghezza di registrazione di 29 s. I dati acquisiti nella configurazione adottata in campo sono anche idonei al loro trattamento mediante il metodo sismico a rifrazione. Nel caso particolare, oltre all applicazione del metodo standard del tempo intercetto e del metodo Plus-Minus, si è utilizzata la tecnica di imaging multi rifrattore basata sullo stack di sezioni a rifrazione convolute (SRCS: Stacked Refracted Convolution Section; de 310

6 Franco 2005, 2011). Tale tecnica consente la costruzione di sezioni sismiche in tempi intercetti e/o convertite in profondità del tutto analoghe a quelle ottenibili con le tecniche standard di trattamento dei dati di sismica a riflessione. È importante sottolineare che tale tecnica consente di ricostruire non solo il modello ma anche di fornire informazioni bidimensionali circa gli attributi che caratterizzano le interfacce rifrangenti (geometrie, velocità e ampiezze). L analisi a rifrazione qui utilizzata, limitata alla sola fase P, fornisce utili informazioni per supportare l interpretazione geofisica dei dati MASW (modelli in fase S) che per sua caratteristica è soggetta ad una minore accuratezza nella ricostruzione del modello. In due casi (siti del Cimitero e di via Roma) emergono profili di velocità delle onde S che mostrano la presenza di un debole riflettore a circa 20 m di profondità e per i quali si può stimare un valore di VS30 che si colloca al limite inferiore della classe B. Nel terzo caso (Pian d Assino), invece, il profilo di velocità Vs mostra la presenza di un gradiente continuo e l assenza di contrasti d impedenza significativi. In questo caso il valore di VS30 pone il sito in classe B in modo univoco. Conclusioni. Sono stati presentati i risultati delle indagini geofisiche-sismologiche effettuate nell ambito di uno studio finalizzato alla microzonazione dell area urbana di Umbertide commissionato dalla Regione Umbria all OGS, e che si è avvalso della collaborazione del CNR-IDPA. Lo scopo è di fornire dati ed elementi quantitativi costruiti su base scientifica sperimentale utili alla microzonazione dell area urbana di Umbertide. Sono stati eseguiti tre tipi d indagine: stime di rapporti spettrali H/V da registrazioni di rumore sismico ambientale; stime della risposta spettrale di sito da registrazioni di terremoti; caratterizzazione del profilo verticale di Vs da indagini sismiche di superficie. I rapporti H/V stimati mostrano in molti casi una forma bi-modale, testimoniando in tal caso la presenza di un contrasto d impedenza in profondità e uno più superficiale. In genere le ampiezze dei rapporti H/V sono piuttosto contenute, e solo in alcuni casi si rilevano picchi di ampiezza significativa nella banda di maggiore interesse 1-10 Hz. La parte centrale del bacino su cui si trova Umbertide è in genere caratterizzata dai rapporti H/V più piatti, i picchi di amplificazione sembrano concentrarsi verso i margini esterni (soprattutto quello a SO) interessando aree la cui ampiezza è funzione della frequenza: man mano che la frequenza si alza, la zona suscettibile di amplificazione si restringe e si sposta verso il bordo, in coerenza con un interpretazione che vede la frequenza di risonanza che aumenta con l assottigliarsi degli spessori di suolo. Per 20 siti collocati sia all interno che all esterno dell area urbana, sono stati stimati gli spettri di risposta specifici di sito, le curve di amplificazione di risposta spettrale e i fattori di amplificazione. Le stime si basano sull analisi di moti deboli del suolo, pertanto possono determinare una sovrastima e sottostima dell amplificazione rispettivamente nella banda dei corti periodi (T < 1 s) e dei lunghi periodi (T > 1 s). Riguardo al terzo punto, sono stati eseguiti dei profili sismici a rifrazione presso tre siti. In prima battuta, le mappe H/V e dei fattori Fa sembrerebbero fornire indicazioni contraddittore: gli H/V indicherebbero una mancanza di una frequenza di risonanza dominante nel centro del bacino, mentre gli Fa mostrerebbero un progressivo aumento da SO a NE, con valori elevati nel centro del bacino. I tre profili di velocità forniscono una buona chiave di lettura: molte aree sono caratterizzate da suoli con velocità anche bassa, ma che aumenta gradualmente con la profondità senza però la presenza di un contrasto di impedenza elevato alla base. In tali suoli, l ampiezza del campo d onda si amplifica in modo simile su tutta la banda di frequenze Hz (0.1-3 s). Ringraziamenti. Questo studio è stato svolto nell ambito di una convenzione stipulata tra la Regione Umbria, Servizi Tecnici, e l OGS, Dipartimento Centro di Ricerche Sismologiche, con Determina Dirigenziale n del 20/12/11. Si ringraziano: il Comune di Umbertide per l assistenza e il supporto forniti nell individuazione dei siti; l Osservatorio Sismico A. Bina di Perugia per la collaborazione nella gestione delle stazioni sismometriche. Bibliografia Andrews, D. J.; Objective determination of source parameters and similarity of earthquakes of different sizes, in Earthquake Source Mechanics, S. Das, J. Boatwright, and C. H. Scholz (Editors), American Geophysical Union, Washington, D.C.,

7 de Franco R.; Multi-refractor imaging with stacked refraction convolution section. Geophys. Prosp. 53 (3), de Franco R.; Refractor velocity analysis: a signal processing procedure. Geophysical Prospecting 59, Gruppo di Lavoro MS; Indirizzi e criteri per la microzonazione sismica. Conferenza delle Regioni e delle Province Autonome Dipartimento della Protezione Civile, Roma, 3 vol. e CD-ROM. ISIDe Working Group INGV; Italian Seismological Instrumental and parametric database: Norme Tecniche per le Costruzioni NTC; DM 14 gennaio 2008, Gazzetta Ufficiale, n. 29 del 4 febbraio 2008, Supplemento Ordinario n. 30, Istituto Poligrafico e Zecca dello Stato, Roma ( Priolo E. (Resp. Scient.) e Gruppi di Lavoro OGS-CRS (Priolo E., Romanelli M., Laurenzano G., Barnaba C.) e CNR- IDPA (de Franco R., Caielli G., Corsi A., Morrone A., Tento A., Boniolo G., Ragazzo P.); Convenzione per l esecuzione di studi geofisici finalizzati alla microzonazione dell area urbana di Umbertide. Relazione finale delle attività. Relazione OGS n. 2013/56 Sez. CRS 19, Sgonico, 30 maggio 2013 Pergalani F e Compagnoni M.; Esecuzione di modellazioni mono e bidimensionali finalizzate alla microzonazione sismica dell area urbana di Umbertide. 1 parte: input sismico Versione 2. Convenzione tra Regione Umbria Giunta Regionale Servizi Tecnici Regionali e Politecnico di Milano, Dipartimento di Ingegneria Strutturale. 312