Convenzione INGV-DPC 2012-2013

Convenzione INGV-DPC 2012-2013 Progetti sismologici Progetto S_2 Constraining OBservations into Seismic hazard (COBAS) Unità di Ricerca RU5, POLIMI Titolo : Progressi nella valutazione della pericolosità sismica in Italia derivanti dall uso di diversi modelli di ricorrenza e dalla conversione da roccia a geologia di superficie. 1. Responsabile UR 5 POLIMI Ezio Faccioli, Ordinario di Costruzioni in Zona Sismica (in quiescenza dal 2011), Politecnico di Milano, faccioli@stru.polimi.it Ph. D. in Ingegneria Civile (University of Illinois 1968), Professore ordinario presso il Politecnico dal 1986 al 2010. Temi principali di ricerca: pericolosità e rischio sismico, metodi numerici per la propagazione delle onde sismiche, scenari di danno da terremoti. Dal 1998 al 2011 Associate Editor del Journal of Seismology. Dal 2004, membro del Board of Directors della International Association of Earthquake Engineering. Nel 2005 ha ricevuto dallo Earthquake Engineering Research Institute, California, il premio speciale per il miglior articolo pubblicato da Earthquake Spectra nel 2004. Dal 2006, membro del Consiglio Scientifico del BRGM (Bureau des Recherches Géologiques et Minieres) francese. Coordinatore (con A. Rovelli) del progetto S5 nella Convezione 2005-07 DPC-INGV. Coordinatore (con W. Marzocchi) del progetto S2 nella Convezione 2007-09 DPC-INGV. 5 pubblicazioni significative relative ai temi di ricerca del progetto 1) Faccioli E. Engineering seismic risk analysis of the Friuli region, Boll. Geofis. Teor. Appl., XXI (83), 1979, 173-190. 2) Chavez Garcia F., Faccioli E., Complex site effects and building codes: Making the leap, J. of Seismology, Vol. 4, No. 1, pp. 23-40, 2000. 3) Faccioli E., Seismic hazard assessment for derivation of earthquake scenarios in Risk-UE, Bull. Earthq. Engng, 4(4), 2006, pp.341-364. 4) Faccioli E., Villani M. Seismic hazard mapping for Italy in terms of broadband Displacement Response Spectra, Earthquake Spectra, Vol. 25 (3), 2009, pp. 515-539. 5) Delavaud E., Cotton F.,Akkar S., Scherbaum F., Danciu L., Beauval C.,Drouet S., Douglas J, Basili R., Sandikkaya A., Segou M., Faccioli E.,Theodoulidis N., Toward a ground-motion logic tree for probabilistic seismic hazard assessment in Europe, J. Seismology, 2012, DOI 10.1007/s10950-012-9281 2. Personale dell'ur La gestione economica e amministrativa dell attività della RU5 sarà realizzata dalla Fondazione Politecnico di Milano (www.fondazionepolitecnico.it), che si avvarrà della collaborazione degli specialisti altamente qualificati indicati nella tabella seguente per lo svolgimento delle attività scientifiche previste. 1

Nominativo (Cognome e Nome) Faccioli Ezio Qualifica Ex ordinario del Politecnico di Milano, in quiescenza Ente/Istituzione Fondazione Politecnico di Milano Giorni/Persona (personale non a carico del progetto) Paolucci Roberto Professore Ordinario Politecnico di Milano 30 Vanini Manuela Ingegnere Collaboratore esterno - Villani Manuela Dottore di ricerca Collaboratore esterno - Pezzali Sonia Funzione amministrativa Fondazione Politecnico di Milano Da definire, n 1 Dottore di ricerca Collaboratore esterno - TOTALE 30 I anno - - 3. Descrizione del contributo 3a. Versione italiana 3a.1 Stato dell'arte (con riferimenti bibliografici essenziali) Le mappe probabilistiche di pericolosità elaborate nel 2004 e associate alla normativa italiana vigente dal 2008 furono il risultato di un complesso lavoro coordinato a livello nazionale da INGV (http://zonesismiche.mi.ingv.it/elaborazioni/). Indiscutibilmente proficuo e considerevole negli anni successivi è stato il ruolo di DPC-INGV nel promuovere ricerca atta a migliorare metodologie e input per la valutazione dela pericolosità. Nell ambito di questo sforzo, si inserisce, ad esempio, il progetto S5 (convenzione 2004-2006), che ha redatto per la prima volta mappe di pericolosità a larga banda (0.1-20 Hz) per tutto il territorio italiano (http://progettos5.stru.polimi.it/mappe.html), e che ha implementato strumenti per la conversione roccia-sito nella stessa banda di frequenze. Analogo discorso vale per il progetto S2 2007-2009, dal titolo Sviluppo di un modello dinamico di pericolosità sismica a scala nazionale (http://nuovoprogettoesse2.stru.polimi.it/), che ha prodotto strumenti e risultati di estrema rilevanza per il lavoro qui proposto quali: - mappe di probabilità di occorrenza di eventi di M w 5.5, nei prossimi 10, 30 o 50 anni a partire dal 1.1.2010, su una griglia predefinita di punti, estesa a tutto il territorio nazionale; queste mappe furono generate con 6 diversi modelli di occorrenza, sviluppati ad hoc, sia di tipo stazionario che non stazionario (e.g. Lombardi e Marzocchi, 2010; Akinci et al, 2009); - un codice di calcolo di pericolosità, CRISIS2008, che può trattare sia processi di occorrenza non stazionari, grazie all implementazione di un formalismo probabilistico completo (invece che della classica semplificazione basata sui tassi di occorrenza), sia scenari di scuotimento del suolo generati esternamente (Ordaz, M., 2010). Lombardi A. M. e W. Marzocchi (2010) A double-branching model applied to long-term forecasting of Italian seismicity (ML 5.0) within the CSEP project, Ann. Geophys., 53, doi: 10.4401/ag- 4762 Akinci A. et al. (2009) Effect of Time Dependence on Probabilistic Seismic-Hazard Maps and Deaggregation for the Central Apennines, Italy, BSSA 99(2A), pp. 585 610. Ordaz, M., 2010. S2 project (http://nuovoprogettoesse2.stru.polimi.it/), D1.1: Open source code for SHA. Technical report. 2

3a.2 Obiettivi Con riferimento a 3a.1, questa UR si propone per i Task 1, 3, 4, 6 e 7 con i seguenti obiettivi: - raccolta e validazione di modelli di PSHA esistenti e collaborazione allo sviluppo di nuovi; - conversione di osservazioni strumentali in parametri non strumentali (ad esempio, dati macrosismici), con utilizzo e/o sviluppo di tecniche di letteratura (ad esempio Faccioli e Cauzzi, 2006); - traduzione di risultati da roccia a sito, utilizzando informazioni locali di sito disponibili all inizio e alla fine del progetto; - validazione e classificazione di modelli di PSHA, con utilizzo delle osservazioni disponibili; - analisi di pericolosità per stesura di requisiti minimi per impianti speciali (ad esempio siti di stoccaggio di gas naturale). 3a.3 Attività Task 1- Sviluppo e omologazione di modelli per SHA. Assumendo che le mappe di probabilità di occorrenza prodotte nell ambito dell ultimo progetto S2 (2007-09) verrano riviste alla luce dei recenti eventi che hanno scosso l Emilia-Romagna, (ad esempio, con aggiornamento del catalogo di riferimento, della base dati su faglie, e delle finestre di predizione), da parte di UR partecipanti a questo stesso progetto, questa UR: 1. a) Coordinerà il trasferimento e l aggiornamento dei modelli di ricorrenza sviluppati in S2 2007-09; 1.b) Contribuirà a realizzare nuove valutazioni di pericolosità nella Pianura Padana, mediante: (1) un nuovo modello di sorgenti sismogenetiche (elaborato a partire da ZS9), che tenga conto delle conoscenze acquisite nel campo a partire dal 2004, con particolare attenzione alla distribuzione delle sorgenti con la profondità e ai processi di subduzione in atto, (2) l inclusione di modelli di faglie DISS aggiornati (individuali e composite), e (3) applicazione dei modelli proposti e di quelli di cui in 1a). Task 3 - Conversione di dati strumentali a confronto con osservabili. La UR intende contribuire aggiornando correlazioni largamente applicate, pubblicate alcuni anni or sono, tra l intensità macrosismica e parametri ingegneristici di moto del suolo (PGA, PGV (Faccioli E., Cauzzi C., 2006). Task 4: Valutazione della pericolosità basta sulle condizioni di sito.questa UR farà uso di: - fattori di amplificazione spettrale desunti dalle relazioni di attenuazione per parametri strong motion, selezionate in base a confronto previo delle prestazioni su casi campione di stazioni accelerometriche con registrazioni significative e profilo di sito ben documentato; - estrapolazione guidata di funzioni di amplificazione spettrale osservate, ottenute da diversi profili geologici di riferimento (p. es. spessori di sedimenti crescenti) dalla banca dati giapponese Kik-net (Oth et al, 2011b), applicando correzioni per la trasformazione da roccia sepolta ad affiorante. Gli approcci testé delineati saranno applicati agli areali studiati nel progetto, con la guida di schemi geologici semplificati imperniati principalmente su spessore sedimentario totale (o profondità stimata a cui si raggiunge un valore target di Vs) ed età dei sedimenti superficiali. Verrà studiata in questo modo l influenza dei sedimenti profondi della Pianura Padana, usando i dati disponibili in seguito al recente evento dell Emilia-Romagna. Task 6 Validazione di modelli. La UR trarrà vantaggio dall esperienza del proprio responsabile quale coordinatore di S2 2007-2009, che sviluppò molti dei modelli di pericolosità da raccogliere e aggiornare nel Task 1. Inoltre svolgerà calcoli di pericolosità su alcuni siti campione, su cui saggiare i metodi di ranking proposti. 3

Task 7: Analisi di pericolosità per impianti speciali. La UR intende esplorare la possibilità di ridurre l influenza dell incertezza della stima fornita dai modelli empirici di attenuazione sulle valutazioni di pericolosità ai lunghi periodi di ritorno, cruciali per il progetto di impianti speciali. L approccio farà uso della cosiddetta sigma non-ergodica o site-corrected sigma (Rodriguez-Marek et al., 2011) in analisi di pericolosità di singoli siti destinati ad ospitare impianti speciali, per i quali sono di interesse probabilità annue di eccedenza da 2x10-3 a 10-4 o inferiori; esso implicherà essenzialmente separare, nel calcolo della pericolosità, la stima del valore atteso del moto del suolo dal trattamento dell incertezza (sigma) ad essa associata. Faccioli E. e Cauzzi C. (2006) Macroseismic intensities for seismic scenarios, estimated from instrumentally based correlations, Proc. 1st Europ. Confer. on Earthquake Engng. and Seismol. Geneva, 3-8 September 2006, Paper No. 569 Oth A. et al. (2011) Spectral Analysis of K-NET and KiK-net Data in Japan, Part II: On Attenuation Characteristics, Source Spectra, and Site Response of Borehole and Surface Stations, BSSA 101(2), pp. 667 687. Rodriguez-Marek, et al. (2011) Analysis of Single-Station Standard Deviation Using the KiK-net Data, BSSA 101(3), pp. 1242 1258. 3a.4 Metodologia Le attività proposte saranno sviluppate utilizzando tutti gli strumenti elaborati nel precedente progetto S2, tra cui il codice CRISIS, nella sua versione più recente (2012). Ciò permetterà anche di trattare in modo probabilistico parametri di moto del suolo generati, con routine esterne, da scenari di scuotimento generati da faglie selezionate. Codici ad hoc saranno impiegati/sviluppati per le attività di conversione : calcolo analitico di funzioni di amplificazione al sito (approccio classico alla Haskell-Thompson); calcolo di funzioni osservate di amplificazione, con rapporti spettrali rispetto a roccia o tecniche H/V; calcolo di correlazioni tra dati macrosismici e parametri inegneristici (sull esempio di Faccioli e Cauzzi, 2006). Lo studio degli effetti dei sedimenti profondi sulla risposta di sito locale farà da sfondo a varie tra le attività proposte, in particolare a riguardo della Pianura Padana. Tale studio verrà condotto con le tecniche descritte, oltre che con valutazioni di tipo numerico e con analisi di segnali, applicati alla simulazioni degli eventi emiliani del maggio 2012. 3a.5 Cronoprogramma Fase I anno Semestre 1 2 Attività Task 1 X X Attività Task 3 - X Attività Task 4 X X Attività Task 6 - X Attività Task 7 X X 4

3b. English version 3b.1 State of the art (including references when necessary) The probabilistic seismic hazard maps elaborated in 2004 and associated to the current seismic code of Italy (NTC 2008) were the result of the last national consensus effort on this subject, under the coordination of INGV, see http://zonesismiche.mi.ingv.it/elaborazioni/). Far-reaching in subsequent years has been the role played by the DPC-INGV agreements in promoting research aimed at improving input data and methods for SH evaluation in Italy. Among these were the S5 project in the 2004-06 Agreement, providing for the first time broad band (0.1 Hz to 20 Hz) SH maps for the whole of Italy (http://nuovoprogettoesse2.stru.polimi.it/) as well as tools for rock and site geology conversions over such band. In the following Agreement (2007-09) was included the old S2 project (Development of a dynamical model for seismic hazard assessment at national scale, http://nuovoprogettoesse2.stru.polimi.it/), that produced as output tools and results tools of utmost relevance to the work planned herein, namely: - Maps providing over all of Italy the gridded probabilities of occurrence of earthquakes of M w 5.5.in time windows of 10, 30 and 50 years starting January 1st, 2010; such maps were generated from six different recurrence models, both stationary and non stationary stazionario (e.g. Lombardi e Marzocchi, 2010; Akinci et al, 2009). - A computational code for PSHA, CRISIS2008, which can handle non-stationary time occurrence processes through the use of the full probability formalism (instead of the customary simplification based on occurrence rates), as well as externally generated ground shaking scenarios (Ordaz, M., 2010). 3b.2 Goals With the previous premises, the present UR will work in Tasks 1, 3, 4, 6 and 7 of the new S2 and its main goals will concern: - collection (and evaluation) of existing models of PSHA and contribution to developing new models; - conversion of instrumental observations into non-instrumental parameters, such as macroseismic data, using and updating previously developed tools (e. g. Cauzzi and Faccioli, 2006); - translation of hazard results referred on standard rock conditions, using the sitespecific information available at the beginning and at the end of the project; - validation and ranking of SHA models, based on available observations; - formulation of minimum requirements in terms of SHA for special plants (such as natural gas storage deposits). 3b.3 Activity Task 1- Development and repository of Seismic Hazard Assessment (SHA) It is assumed that the gridded occurrence probability maps produced in the previous (2007-09) S2 project, in a ready-to-be-used format compatible with the CRISIS code, will - in the light of the recent Emilia-Romagna damaging earthquakes - be reviewed and updated by authors participating in this project with respect to input earthquake catalogue and time frames of predictions. Then, this UR will: 1.a) Supervise transfer and updating of hazard models developed in S2 2007-09, 1.b) Contribute to developing a new hazard assessment in Po Plain region using different models. Specifically the UR will contribute to: (1) a new, updated and improved (with respect to ZS9) model of area sources, that will exploit the higherquality seismological and strong motion data gathered since 2004, with special attention devoted to the broad range of seismogenic depths (including subduction- 5

like processes) observed in the region, and (2) design of models for selected DISS fault sources (both individual and composite). Task 3 - Conversion of instrumental data vs observables The UR intends to contribute to this task by updating successful correlation, published some years ago, between macroseismic intensities and instrumentally based engineering parameters (Faccioli E., Cauzzi C., 2006). Task 4: Site-Specific seismic hazard assessment This UR will make use of: 4.a) (1) Spectral amplification factors based on GMPEs, selected and validated with sets of observations at accelerometer stations at sites with good soil profile metadata, and (2) Observed spectral amplification functions from well instrumented and documented reference soil profiles, mainly the Japanese Kik-net data bank (Oth et al, 2011b), with correction factors from buried to outcropping rock. These will be extrapolated to simplified geological outlines based on sediments thickness and/or geological age. The influence of the thick Po Plain sediments on local site response will be therefore investigated in this way, in the light of the recent Emilia earthquake observations. Task 6: Model validation. The UR will greatly benefit from the past experience of its leader as coordinator of the 2007-2009 S2 project, which developed many of the hazard models collected in the repository of Task 1. The UR will carry out hazard calculations for a number of selected sites to provide a basis for the application of the ranking procedures. Task 7: SH analyses for special plants. This UR will focus its contribution on activity: 7.b) (Definition of procedures for SH evaluation), and concentrate on the task of reducing the influence of GMPEs dispersion on SH evaluations at long return periods (e.g 5000 10000 years), crucial for special facilities. Extensive use will be made of the non-ergodic or site-corrected sigma (Rodriguez-Marek et al., 2011); care will be paid to eventually handling sigma as an aleatory variable. In a subsequent phase SH results will be validated against deterministic evaluations, calibrated on the seismotectonic knowledge, presumably reviewed and updated in particularly for the Po Plain area, after the May 2012 events. 3b.4 Methodology A number of the foregoing activities linked to SHA will be pursued using tools developed in the previous S2 project: basically the CRISIS code, in its most recent version of 2012, and the gridded probability maps for Italy. This code will also allow to handle the probabilistic treatment, at specific sites, of sets of externally generated ground motion scenarios for fault models. Ad hoc codes will be used to tackle conversion activities: computation of analytical amplification functions (through the classical Haskell-Thompson approach); computation of observed amplification functions, by means of SSR or HV approaches; correlations between macroseismic intensities and instrumentally based engineering parameters (e.g. Faccioli E., Cauzzi C., 2006). The study of the effects of deep alluvium sediments on local site response will be an a priori requirement for all the pursued activities, especially those concerning Po Plain sites. This study will be carried on with the described analytical tools, numerical evaluations and signal processing techniques, applied to the simulation of the May 2012 Emilia events. 3b.5 Timetable Phase I anno Semester 1 2 6

Activity Task 1 X X Activity Task 3 - X Activity Task 4 X X Activity Task 6 - X Activity Task 7 X X 4a. Prodotti (in grassetto quelli direttamente a cura della UR) D1.1 Contributi su: (1) magazzino di risultati PSHA e, (2) Applicazioni (con confronti) alla Pianura Padana. D4.1 Parti illustranti l applicazione degli approcci 4.a (1) and (2) alla Pianura Padana e ad alcuni siti ivi selezionati. D6.2 Produzione di risultati (con CRISIS2012) ricavati tramite i diversi modelli raccolti nel Task 1, mirati a classificare l input specifico di sito così ottenuto. D7.1 Contributi al Guidebook for best practices in monitoring and seismic hazard assessment.. concernenti l applicazione dell approccio basato sulla sigma non ergodica a siti italiani prescelti. 4b. Deliverables (in bold type those under the responsibility of this RU) D1.1 Contributions concerning: (1) PSHA results repository and collection of PSHA models and (2) Applications for the Po Plain region. D4.1 Parts concerning application of results of activities 4.a (1) and (2) to the Po Plain region and to specific sites in it D6.2 Production of results (with CRISIS2012 code) using the different hazard models under Task 1, aimed at ranking the site-specific seismic input obtained. D7.1 Contribution to Guidebook for best practices in monitoring and seismic hazard assessment.. regarding the application of the non-ergodic sigma approach to selected Italian sites. 5. Interazioni con altri Enti/Istituzioni A livello europeo, si prevedono interazioni significative: - con il progetto SHARE della CE, il cui termine è previsto entro il 2012, in cui il responsabile di questa UR ha svolto ruolo di External expert, e - con il progetto franco-italiano Sigma, che ha alcuni tasks e obiettivi praticamente coincidenti con quelli di S2, e in cui il responsabile di questa UR partecipa con altra UR nella componente pericolosità sismica. Le modalità comprenderanno scambio diretto di informazioni su metodi e risultati, garantito dalla presenza diretta del responsabile di UR nei diversi progetti. A livello extra-europeo l interazione maggiore avverrà con lo Instituto de Ingenieria della UNAM, Città del Messico, in tema di test del programma di calcolo della pericolosità su regioni messicane ad alta sismicità. 7

6. Possibili interazioni con altri Progetti DPC (indicare quali progetti) Si prevede che l interazione potenzialmente più significativa sarà con le UR INGV del progetto S1, per quanto riguarda la caratterizzazione su base geologica dei sistemi di faglie geologiche attive nella Pianura Padana e il suo riflesso sull attualizzazione dei modelli per il calcolo della pericolosità. 7. Piano finanziario (in Euro) Categoria di spesa Importo previsto 1) Spese di personale 3 300 2) Spese per missioni 4 000 3) Costi amministrativi (solo per i responsabili di programma) 4) Spese per studi, ricerche ed altre prestazioni professionali 22 400 5) Spese per servizi - 6) Materiale tecnico durevole e di consumo - 7) Spese indirette (spese generali) 3 300 Totale 33 000 8