influenza delle geostrutture nella valutazione degli effetti sismici di
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Mus. civ. Rovereto Atti del Workshop in geofisica 9 dicembre 2005 17-29 2006 VITTORIO ILICETO (*) & JACOPO BOAGA (*) INFLUENZA DELLE GEOSTRUTTURE NELLA VALUTAZIONE DEGLI EFFETTI SISMICI DI SITO: IL CASO DELLA VAL DADIGE Abstract - VITTORIO ILICETO & JACOPO BOAGA - The influence of the tectonic structures in the evaluation of the seismic site effects: the Adige Valley case history. The papers aim is to evaluate the Adige Valley seismic soil motion differences, due to the topographic and lythologic effects. A general areal study and a more specific one along a profile near Egna (Bz) were done. A deterministic method is applied. It consider the most dangerous hystoric earthquakes that occured, and simulates theyr local effects, considering the local soil conditions. The method is able to calculate the realistic ground acceleration motion and a complete description of soil motion, useful for engineering purposes (Panza, 1985; Florsch et al. 1991). This method is based on 1D procedure for areals studies, and on more specific local 2D studies, considering geological lateral etherogeneities. The calculated synthetic seismograms underline as the Adige Valley and the ValSugana Valley are the most dangerous zones of the area, due to theyr relative soft soil condition. The 2D approach, developed for a profile perpendicular to the Valley, shows that the valley sediments, and the topography, play e great role in the soil motion amplification. Seismic noise measurements on the field were done to define the fundamental periods of the sediments, using the H/V spectral ratio technique. H/V ratios, knowing local Vs from literature, gave a qualitative estimation of quaternary sediment thickness, useful to improve the geologic model for the syntethic shake simulation. Key words: Seismic microzonation, Deterministic method, Seismic noise, H/V ratio. Riassunto - VITTORIO ILICETO & JACOPO BOAGA - Influenza delle geostrutture nella valutazione degli effetti sismici di sito: il caso della Val dAdige. (*) Dipartimento di Geologia, Paleontologia e Geofisica - Università di Padova. 17 Questo studio intende valutare lo scuotimento sismico della Val dAdige, caratterizzata dalle influenze topografiche e dalle differenze litologiche che la contraddistinguono. E stato sviluppato uno studio generale della Valle ed uno più specifico lungo un transetto bidimensionale ad essa ortogonale (località Egna-Bz). Il metodo deterministico utilizzato considera i più pericolosi eventi sismici reali che hanno afflitto il territorio, ne simula gli effetti locali considerando le varie tipologie di sottosuolo coinvolte, e fornisce realistiche stime dellaccelerazione massima attesa e una descrizione completa del moto sismico del suolo, fruibile anche per esigenze di carattere ingegneristico (Panza, 1985; Florsch et al. 1991). Tale metodo consente di applicare sia procedure monodimensionali, valide per studi di carattere regionale, sia di effettuare indagini locali più approfondite 2D, considerando le eterogeneità geologiche laterali. I sismogrammi sintetici calcolati con hanno evidenziato come la Val dAdige e la Valsugana, essendo caratterizzate da suoli meno tenaci rispetto al restante territorio, siano potenzialmente le zone più pericolose dove sono attese le più forti accelerazioni del suolo. Lapproccio 2D, sviluppato su un transetto perpendicolare alla Val dAdige, ha dimostrato come i sedimenti vallivi, ed in misura minore la topografia, influiscano pesantemente sullamplificazione sismica del moto del suolo. Per definire al meglio gli spessori di tali sedimenti si è effettuata una campagna di misura di rumore sismico, elaborando i rapporti spettrali H/V, permettendo di valutare le frequenza propria del terreno. Desumendo le Vs locali da indagini pregresse, tali rapporti hanno consentito una valutazione qualitativa degli spessori quaternari, permettendo di perfezionare il modello geologico sollecitato sinteticamente. Parole chiave: Microzonazione sismica, Metodo deterministico, Rumore sismico, Rapporti H/V. 1. INTRODUZIONE Lo scuotimento sismico lungo la Val dAdige, per le sue caratteristiche morfostrutturali, può essere valutato, in maniera soddisfacente, lungo transetti bidimensionali ad essa ortogonali, permettendo di valutare le influenze topografiche e le forti differenze litologiche che la contraddistinguono. In questo studio si fa riferimento ad un transetto bidimensionale in località Egna. Il metodo deterministico, quivi utilizzato, considera i più pericolosi eventi sismici reali che hanno afflitto il territorio, ne simula gli effetti locali considerando le varie tipologie di sottosuolo coinvolte, riuscendo a fornire realistiche stime dellaccelerazione massima attesa e una descrizione completa del moto sismico del suolo, fruibile anche per esigenze di carattere ingegneristico. Tale metodo consente di applicare sia la procedura 1D (PANZA, 1985; FLORSCH et al. 1991), che considera dei poligoni utilizzati per delimitare aree associabili a differenti modelli strutturali e a differenti caratteristiche sismotettoniche (e.g. meccanismi focali, aree sismogenetiche e cataloghi dei terremoti relativi allarea in esame), sia di effettuare lindagine 2D considerando le eterogeneità laterali. 18 La procedura 1D viene affrontata con la Somma Modale, quella 2D viene affrontata con lapproccio ibrido, che combina la sommatoria dei modi e le differenze finite (FAH et al. 1990; FAH 1994). Dal punto di vista teorico generale il modello geologico, da sollecitare con le simulazioni numeriche, viene ricostruito da informazioni in letteratura. Nel caso in esame, data linfluenza dei riempimenti vallivi sullo scuotimento sismico, è risultato indispensabile verificare come lo spessore reale di tali riempimenti fosse compatibile con quello stimato dalle misure di rumore sismico effettuate in loco, al fine di calcolare i rapporti spettrali H/V (NOGOSHI e IGARASHI,1970: NAKAMURA, 1989) e valutare così i periodi propri del riempimento vallivo. Il modello geologico 2D così affinato, è stato poi sollecitato con la simulazione dei parametri del sisma di Merano 2001. L innovativa metodologia deterministica, servendosi della caratterizzazione del sisma, delle geometrie e delle caratteristiche del sottosuolo, ha quindi permesso una descrizione completa del moto sismico del suolo atteso. 2. STUDIO DELLA PERICOLOSITÀ SISMICA IN VAL DADIGE: IL CASO DI EGNA 2.1 Modellizzazione Lapproccio deterministico prevede di considerare la realtà sismotettonica dellarea (input) al fine di sollecitare i modelli consideranti le diversità geologicostrutturali. Lo scuotimento sismico sintetico (output) descrive nella sua completezza tutte le 3 componenti del moto nel range di frequenze di interesse ingegneristico. 2.1.1 Input 1D Per definire le proprietà sismotettoniche dellarea ci si è avvalsi della zonazione sismogenetica dellINGV ZS9 e del catalogo sismico NT4.1 con i dovuti aggiornamenti (e.g. terremoto di Merano 17-7-2001). La ZS9 si basa su unanalisi cinematica degli elementi geologici, cenozoici e quaternari ed assume un ruolo primario nella ricerca delle relazioni tra le strutture litosferiche profonde, quelle crostali e quelle attive in superficie. Tra le zone sismogenetiche e il catalogo sismico vi è una relazione geografica, per cui ciascun evento, nella quasi totalità dei casi, ricade in una zona sismogenetica. Per definire i modelli medi strutturali 1D, necessari per la valutazione deterministica della pericolosità sismica a scala regionale, ci si è avvalsi di diversi studi e carte geologiche (Carta litologica del Trentino, DAL PIAZ et al. 1: 200.000, Fogli geologici 1:100.000, FUGANTI et al. 2001). Essenzialmente, a tale livello di indagine, è stato necessario differenziare gli estesi sistemi vallivi, ovviamente 19 bacini di sedimentazione quaternaria, dalle formazioni litoidi dei rilievi montani circostanti. Si è quindi stabilito di suddividere il territorio in esame in 2 poligoni strutturali medi rappresentativi, uno associato ai 2 più estesi sistemi vallivi della regione (Valsugana e Val dAdige), caratterizzato superficialmente dalle proprietà fisiche dei sedimenti, ed uno associato al restante territorio con caratteristiche fisiche tipiche di litotipi più tenaci (bedrock). Nei termini di classificazione dei suoli (tab. 1) della nuova Normativa sismica, che fa proprie le direttive dellEurocodice 8 basate sulle velocità di shear dei primi 30 m di suolo, i poligoni strutturali sono associabili a suoli di tipo C (vallivi: 180m/s<Vs30<360ms) e A (montani: Vs30>800m/s) rispettivamente. Subsoil class Description of stratigraphic profile A Rock or other rock-like geological formation, including at most 5 m of weaker material at the surface C Deep deposits of dense or mediumdense sand, gravel or stiff clay with thickness from several tens to many hundreds of m Parameters Vs,30(m/s) NSPT (bl/30cm) cu(kPa) > 800 180 - 360 15 - 50 70 - 250 Tab. 1 - Classificazione suoli secondo EC8 e Normativa Italiana. 2.1.2 Input 2D Per adottare lapproccio ibrido 2D è necessario stabilire un profilo geologico più realistico possibile, definendo le proprietà fisiche dei mezzi, il sisma di progetto, per sollecitare il modello, ed infine calcolare i sismogrammi sintetici lungo lo stesso. La sorgente sismica considerata, per la modellazione, è il terremoto di Merano del 17 luglio 2001 di MI=5.2 (Fig. 1). Il profilo geologico è stato dedotto da diverse indagini e ricostruzioni note in letteratura (e.g. foglio geologico N 1:100.000), completato anche mediante una verifica sperimentale delle geometrie del sottosuolo con la metodologia HVSR (NAKAMURA 1989). 2.2.3 Tecnica H/V applicata ai fini di ricostruzione geometrica del sottosuolo Le eterogeneità laterali, lungo il profilo, sono determinanti per gli effetti sismici locali e sono imputabili alla topografia, ai forti contrasti di impedenza derivanti da contatti di litotipi differenti ecc. Nel caso della valle studiata era di particolare interesse il comportamento sismico dei sedimenti quaternari di riem20 Fig. 1 - Terremoto di Merano 17/ 7/2001 MI = 5.2. Il tratto A-B indica il profilo utilizzato per la modellazione 2D presso Egna, i quadrati rossi i più rilevanti sismi dellarea (da Catalago Parametrico dei Terremoti ItalianiINGV). pimento vallivo, dai quali ci si attendeva unamplificazione del moto rispetto ai suoli rigidi che delimitano la valle a E e W. Di fondamentale importanza è dunque stabilire al meglio lo spessore dei riempimenti, rilevando con accuratezza la profondità del rifrattore principale (bedrock). A questi fini è stata svolta una campagna di misure tromografiche di rumore sismico. Il rumore sismico è stato misurato con il tromografo digitale Tromino (Micromed srl). Si tratta di un tromografo tricomponente dotato di 3 velocimetri disposti secondo le 3 direzioni del moto, capace di registrare i microtremori in un intervallo di frequenze tra 0.1Hz-256Hz con una digitalizzazione del segnale pari a 24 bit. Sono stati effettuati vari punti di misura lungo la valle e sulle pendici della stessa, con misurazioni puntuali di circa 30 minuti di registrazione, un sampling di 128Hz. Tutti i risultati sono stati trattati con il software Grilla (Micromed srl, vedasi CASTELLARO et al. 2004). La tecnica HVSR (KANAI 1957; IGARASHI 1970; NAKAMURA 1989) permette di estrarre informazioni relative al sottosuolo a partire dagli spettri di rumore sismico registrati in sito. La tecnica prevede di calcolare il rapporto, in funzione della frequenza, tra gli spettri di risposta della componente orizzontale e verticale del moto dovuto ai microtremori (rumore sismico). In questo studio la finalità dellapplicazione di tale tecnica è rivolta esclusivamente al riconoscimento della frequenza di risonanza del terreno, a fini di ricostruzione geometrica del sottosuolo, e non intende valutare, da tali rapporti spettrali, fattori di amplificazione sismica. La natura del rumore sismico registrato e dei relativi picchi dei rapporti spettrali è difatti tuttora molto discussa in ambito scientifico: i microtremori non sono infatti costituiti esclusivamente da onde di volume (P e S), ma principalmente da onde di superficie, in particolare di Rayleigh (LACHET and BARD, 1994). Se assumiamo che in un semispazio i 2 strati 21 differiscano in termini di velocità sismica e densità (contrasto di impedenza), e che la risonanza sia legata alla lunghezza donda (λ) incidente pari a 4 volte lo spessore h del primo strato (ipotesi λ/4), si può ricavare una stima della profondità del rifrattore sismico dal riconoscimento della frequenza di risonanza propria del sottosuolo (vedi IBS-VON SEHT e WOHLENBERG, 1999). Dunque il riconoscimento della frequenza di risonanza propria del sito, ricavato dal rapporto spettrale H/V del rumore sismico, permette, nota una stima delle Vs, la determinazione delle profondità delle coltri sedimentarie. È opportuno specificare che tale tecnica è tuttoggi in una intensa fase di sperimentazione e che lelaborazione dei dati di campagna deve essere eseguita con molta cautela dato che blandi contrasti di impedenza acustica, ad esempio, indurrebbero a forvianti picchi del rapporto H/V legati alle onde di Rayleigh non correlabili alla risonanza delle onde di corpo e quindi alla profondità del rifrattore (KONNO and OHMACHI 1998). Le formule [1], [2], [3] e [4] mostrano la relazione tra periodo proprio, velocità di shear e spessore dei sedimenti. Le figure 2, 3 e 4 mostrano i rapporti spettrali H/V calcolati da dei segnali acquisiti in 3 siti della Val dAdige nei pressi di Egna (vedi Fig. 1 e Fig. 7). Dalle figure si notano i ben individuabili picchi principali. Sono stati calcolati diagrammi temporali del HVSR che dimostrano la persistenza temporale dellampiezza, che elimina lipotesi di cause transitorie. Altrettanto importante è lanalisi direzionale del segnale che evidenzia, data lisodirezionalità, il carattere strutturale e non antropico dei picchi. 22 Fig. 2, 3, 4 - Rapporti spettrali H/V di 3 siti in Valle (finestre di 30s ed un dumping del 5%). I 3 siti di misura in valle 1, 2, e 3 (vedi profilo Fig. 7) mostrano dei chiari picchi a frequenze tra gli 0,38 Hz e 0,44 Hz, che, con una velocità stimata di Vs di 700m/s, individuano profondità del rifrattore tra i 380 e i 460 m (vedi tab 2). Sito Frequenza Propria (Hz) Profondità (m) 1 0,38 460 2 0,4 420 3 0,44 380 Tab. 2 - Frequenza Propria e profondità stimata per 3 punti di misura in valle. 23 Il sito 4 invece, misurato sul versante della valle (loc. Cortaccia), mostra (Fig. 5) come atteso una risposta piatta priva di picchi fondamentali alle basse frequenze, e dei picchi coalescenti attorno ai 7 Hz, da imputare a modeste coperture di pochi metri. Il sito di misura si trovava in un paese abitato, lanalisi temporale del segnale ha indicato dei chiari fenomeni isolati di energizzazione legati ad attività antropica, non presenti nelle altre analisi. Tali segnali sono stati esclusi dalla computazione spettrale. Fig. 5 - Rapporto spettrale del sito in versante. 3. RISULTATI Iniziamo col considerare i risultati ottenuti con la modellazione 1D del territorio in esame. La figura 6 mostra la distribuzione dei valori di Design Ground Acceleration (limite massimo di frequenza 10 Hz) ottenuta per il modello 1D del territorio in esame, i valori, rappresentano i nodi della griglia considerata nella modellazione (cap. 2). Da come si evince chiaramente dalla figura 6, le condizioni più pericolose, dal punto di vista dello scuotimento sismico atteso, si concentrano nel poligono vallivo caratterizzato da suoli meno tenaci. In particolare i valori delle accelerazioni di picco denotano amplificazioni fino a 4 volte superiori lungo la Valsugana e la Val dAdige, rispetto ai valori attesi nelle zone limitrofe considerate suolo rigido (bedrock). Questa valutazione di massima della pericolosità sismica a scala regionale, permette già lanalisi completa e realistica del moto del suolo atteso, considerante la realtà sismotettonica dellarea. Soprattutto permette di differenziare, seppur in termini generici, le tipologie di suolo investite dal moto sismico, superando le stime della pericolosità basate sulla considerazione di ununica tipologia di suolo. Ciò consente di concentrare gli sforzi di microzonazione e di approfondire gli studi nelle aree risultate potenzialmente più pericolose. Nel caso in questione le valli citate sono anche, rispetto allintero territorio, le aree dove sono maggiori le densità abitative, le attività industriali e le vie di comunicazione. 24 Fig. 6 - Design Ground Acceleration attesa per il Trentino. In questo studio ci si è focalizzati sulla Val dAdige , utilizzando l approccio ibrido, lungo un transetto di circa 7 km ortogonale allestensione della stessa (profilo NWSE, Fig. 1). Una volta affinato il profilo 2D, attribuendo gli spessori dei sedimenti vallivi ricavati dalle indagine tromografiche comparate con le informazioni geologiche note, si è sviluppato lo studio dello scuotimento sismico tramite la metodologia dellapproccio ibrido nella zona in esame. Il modello, così determinato, è stato sollecitato sinteticamente con il recente terremoto di Merano del luglio 2001. In Figura 7 sono visibili sismogramma, velocigramma e accelerogramma sintetici della componente radiale ottenuti lungo il profilo. La direzione del profilo è NW-SE, il sisma investe il modello da NW. È già evidente in figura come lo scuotimento più intenso sia limitato ai sedimenti vallivi investiti dallenergia sismica, sia in termini di picchi dei valori, sia in termini di durata del segnale. La figura 8 mostra il modello di amplificazione lungo il profilo. Lamplificazione è desunta come il rapporto degli spettri di risposta tra i 105 sismometri virtuali distribuiti lungo il profilo e lo spettro di riferimento del modello 1D dellarea. Le amplificazioni maggiori (sino a 3volte) sono attese in corrispondenza del riempimento vallivo della Val dAdige, ma amplificazioni di modesta entità sono attribuibili anche alla topografia. Si nota infatti come le acclività, più marcate del versante sinistro, influiscano sul moto del suolo (e.g. km 1.7 del profilo). 25 Fig. 7 - Sismogramma, velocigramma e accelerogramma sintetici della componente radiale ottenuti lungo il profilo. A. Dolomie (Carnico-Ladinico), B. Dolomie del Serla (Anisico), C. Calcari, Marne, Arenarie, Siltiti del Werfen (Scitico), D. Alluvioni (Quaternario) 1, 2, 3, 4 punti di misura del rumore sismico (par. 3. 2. 3). La metodologia permette di evidenziare le amplificazioni per tutte 3 le componenti del moto e per un range di frequenze 0-5.5 Hz. Nel caso in esame le amplificazioni più consistenti sono limitate alle componenti radiale e verticale del moto. I picchi sono attesi per frequenze inferiori a 1Hz per la componente trasversale e radiale, mentre la componente verticale presenta anche un picco attorno ai 3Hz. Limportanza di conoscere quali frequenze sono più eccitate dallo scuotimento sismico è ovviamente fondamentale per confrontare i valori ottenuti delle frequenze naturali del suolo e quelle, proprie, degli edifici di importanza strategica presenti nellarea in esame. 4. CONCLUSIONI La tecnica della Somma Multimodale ha evidenziato come le Val dAdige e la Valsugana, essendo caratterizzate da suoli meno tenaci rispetto al restante territorio, siano potenzialmente le zone più pericolose dove sono attese le più 26 Fig. 8 - Amplification Pattern del profilo considerato, componente radiale, verticale e trasversale. A. Dolomie (Carnico-Ladinico), B. Dolomie del Serla (Anisico), C. Calcari, Marne, Arenarie e Siltiti del Werfen (Scitico), D. Alluvioni (Quaternario). forti accelerazioni del suolo. LApproccio Ibrido 2D, sviluppato su un transetto perpendicolare alla Val dAdige, ha dimostrato come i sedimenti vallivi, ed in misura minore la topografia, influiscano pesantemente sullamplificazione sismica del moto del suolo. Per definire al meglio gli spessori di tali sedimenti si è effettuata una campagna di misura di rumore sismico, elaborando i rapporti spettrali H/V, e permettendo di valutare la frequenza propria del terreno. Desumendo le Vs locali da indagini pregresse, tali rapporti hanno consentito una valutazione qualitativa degli spessori quaternari. Il lavoro svolto ha dunque documentato limportanza di studi di microzonazione in grado di considerare le diverse realtà geostrutturali locali. Nel sito studiato, tale importanza è sottolineata dal fatto che le zone più pericolose dellarea 27 coincidono con quelle dove si trovano i più grossi centri abitati, centri di produzione e le più importanti vie di comunicazione della regione. RINGRAZIAMENTI Ringraziamo il Prof. G.F. Panza e il gruppo di Sismologia dellUniversità di Trieste per gli importanti contributi e lutilizzo dei programmi legati alla metodologia deterministica. Ringraziamo la Dott.ssa S.Castellaro dellUniversità di Bologna per i contributi e la strumentazione che hanno permesso le misure del rumore sismico locale. 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