risposta sismica della rupe di celleno (vt): scelta di accelerogrammi

Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2006 - IARG 2006
Pisa, 26-28 giugno 2006
RISPOSTA SISMICA DELLA RUPE DI CELLENO (VT): SCELTA DI
ACCELEROGRAMMI NATURALI PER LA SIMULAZIONE DEL
TERREMOTO DI BAGNOREGIO DEL 1695
Alessandro Pagliaroli, Beniamino D’Elia, Giuseppe Lanzo
Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica, Università di Roma “La Sapienza”
[email protected]
Sommario
Durante il terremoto dell’11 giugno 1695, la rupe di Celleno (VT) fu interessata con tutta probabilità da
sensibili effetti di sito legati alle condizioni geotecniche locali e alla morfologia di superficie. Il
comportamento dinamico della rupe durante questo evento storico è attualmente oggetto di studio
attraverso l’esecuzione di analisi bidimensionali di risposta sismica locale. Nella presente
comunicazione è presentata la procedura seguita per la scelta di accelerogrammi naturali,
rappresentativi dell’evento del 1695, da utilizzare come input nelle analisi numeriche. L’impiego di
differenti leggi di attenuazione ha consentito di stimare accelerazione di picco e spettro di risposta
attesi su roccia. Gli accelerogrammi naturali sono stati selezionati sulla base non soltanto di criteri
sismologici, ma anche attraverso parametri che consentono un giudizio oggettivo sulla compatibilità
con lo spettro di risposta su roccia.
Introduzione
La scelta di accelerogrammi di input rappresenta una fase fondamentale sia nelle analisi
strutturali dinamiche non lineari, richiamate esplicitamente dalle Norme Tecniche per le
Costruzioni (DM 14/09/2005), dalla OPCM n.3274/2003 e s.m.i. e dall’Eurocodice 8, sia in
quelle di modellazione della risposta sismica locale. Gli accelerogrammi devono in generale
soddisfare un criterio di compatibilità con lo spettro di riferimento, ottenuto da specifiche
analisi di pericolosità sismica (con metodo probabilistico o deterministico) o, in alternativa,
imposto da normativa. L’esame della letteratura mostra (Bommer e Acevedo, 2004) che la
tendenza attuale è quella di preferire accelerogrammi naturali, cioè registrazioni di eventi
sismici, agli accelerogrammi generati artificialmente (artificiali) e a quelli sintetici ricavati da
complessi modelli di sorgente e di propagazione delle onde sismiche. Gli accelerogrammi
artificiali sono infatti generalmente caratterizzati da un eccessivo numero di cicli di grande
ampiezza e quindi da un contenuto energetico irrealisticamente elevato. Gli accelerogrammi
sintetici a loro volta, si basano su una complessa modellazione che richiede parametri, come
quelli che caratterizzano la sorgente, affetti da notevoli incertezze. Gli accelerogrammi
naturali non presentano le controindicazioni degli accelerogrammi artificiali e sono più
facilmente reperibili di quelli sintetici, considerata la crescente diffusione di database europei
e mondiali in siti internet appositamente dedicati. Tuttavia non esistono procedure
comunemente accettate per la scelta dei segnali, in particolare in termini di criteri per valutare
la compatibilità dei singoli accelerogrammi selezionati con lo spettro di riferimento e per
stabilire eventuali fattori di scala da applicare. Nel seguito è illustrata la procedura seguita per
la scelta di accelerogrammi naturali da utilizzare come input per le analisi bidimensionali di
risposta sismica della rupe di Celleno, sede di sensibili effetti di sito durante il terremoto
dell’11 giugno 1695.
Il terremoto di Bagnoregio del 1695
Nel giugno del 1695 una forte sequenza sismica colpì la Teverina. Notizie storiche sull’evento
sono disponibili sul database di osservazioni macrosismiche DOM4.1 (Monachesi e Stucchi,
1997), sul Catalogo dei Forti Terremoti (Boschi et al., 1997) o da studi più specifici sulla
sismicità dell’area (Margottini e Molin, 1990). La scossa distruttiva, di intensità epicentrale
Pagliaroli, D’Elia e Lanzo
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pari a VIII-IX MCS, preceduta da un forte foreschock (VIII MCS), avvenne nella notte tra il
10 e l’11 giugno alle ore 2.30 GMT (ore 7 italiane). Numerose sono le notizie riportate circa
gli effetti del terremoto sull’ambiente e sul patrimonio sociale ed economico. Il bilancio delle
vittime non fu elevato in quanto quasi tutti gli abitanti abbandonarono le abitazioni dopo il
foreschock. Gran parte dei castelli di Bagnoregio, Lubriano, Ponzano, Vetriolo e Celleno
furono distrutti. Per quanto riguarda gli effetti sulla rupe di Celleno risulta che, oltre le mura
del Castello, furono particolarmente danneggiate le abitazioni edificate presso il bordo della
rupe. Il catalogo DOM 4.1 attribuisce a Celleno una intensità risentita di VIII-IX MCS,
uguale a quella dell’area epicentrale e maggiore di altri siti situati a distanza epicentrale
uguale o inferiore. Quest’ultima osservazione, insieme alla concentrazione dei danni
strutturali ai bordi della rupe, suggerisce l’ipotesi di sensibili effetti di amplificazione locale.
Parametri del moto sismico su roccia associati all’evento sismico del 1695
Come parametri del moto sismico sono stati considerati l’accelerazione orizzontale di picco e
lo spettro di risposta dell’accelerazione orizzontale su roccia in condizioni free-field. La loro
stima è stata effettuata attraverso un approccio deterministico tramite relazioni di
attenuazione. Queste esprimono i parametri del moto sismico in funzione di diversi fattori,
tipicamente magnitudo dell’evento sismico, distanza del sito dalla sorgente e condizioni
geologiche-geotecniche locali. Nello studio sono state considerate le leggi di attenuazione di
Ambraseys et al. (1996) (di seguito indicata come AM96):
2
log y = b 1 + b 2 M S + b 3 log d JB + h 2 + b 4 S 1 + b 5 S 2 ± σ
(1)
e quella proposta da Pugliese e Sabetta (1989) (P&S89):
2
log y = b 1 + b 2 M S − log d ep + h 2 + b 4 S 1 + b 5 S 2 ± σ
(2)
dove b1, b2, b3, b4, b5 e h sono costanti determinate attraverso regressione dei dati
sperimentali, σ la deviazione standard, y è il parametro sismico di riferimento (PGA,
accelerazione spettrale o pseudovelocità per un dato valore del periodo), MS è la magnitudo
delle onde superficiali, dJB la minima distanza del sito dalla proiezione in superficie della
rottura di faglia (distanza di Joyner-Boore), dep la distanza epicentrale, S1 e S2 sono due
coefficienti che tengono conto delle condizioni di sottosuolo, pari a zero se si stimano i
parametri su roccia. I cataloghi sismici forniscono per l’evento dell’11 giugno 1695 l’intensità
epicentrale (I0 = VIII-IX MCS) e la distanza epicentrale del sito di Celleno (dep=6,4 km).
Dall’intensità epicentrale, tramite la correlazione empirica proposta nell’ambito del CPTI
(1999), si può risalire alla magnitudo delle onde superficiali MS=5,8. Per MS=5,8 e dep=6,4
km, la relazione P&S89 fornisce un valore di picco dell’accelerazione amax=0,22g. A
differenza della P&S89, la relazione AM96 richiede la minima distanza del sito dalla
proiezione in superficie della rottura (dJB) che non è possibile stimare con precisione data
l’incertezza sulla struttura sismogenetica associata all’evento del 1695. La dJB è generalmente
inferiore alla distanza epicentrale e recentemente (Montaldo et al., 2005) sono state proposte
alcune relazioni di conversione tra le due distanze che tuttavia, a causa principalmente del
limitato numero di dati, non sono affidabili per distanze minori di 10-15 km. Ipotizzando
dJB=5 km, la AM96 fornisce amax=0,22g uguale al valore ottenuto dalla P&S89. Le due leggi
di attenuazione sono state successivamente impiegate per stimare lo spettro di risposta
dell’accelerazione orizzontale su roccia associato al terremoto dell’11 giugno 1695. Esse
forniscono una forma spettrale simile caratterizzata da una massima accelerazione spettrale di
0,5g in corrispondenza di un periodo predominate di circa 0,2 s.
Scelta di accelerogrammi naturali rappresentativi dell’evento sismico del 1695
Successivamente, nel database europeo ESD (http://www.isesd.cv.ic.ac.uk/) e in quello del
Pacific Earthquake Engineering Research Center (http://peer.berkeley.edu/smcat/), sono stati
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ricercati accelerogrammi su roccia, in condizioni free-field, per coppie magnitudo-distanza dal
sito prossime a quelle associate al terremoto dell’11 giugno 1695 e compatibili con lo spettro
di risposta valutato al punto precedente (spettro di riferimento). Nella ricerca di
accelerogrammi sulla base di criteri sismologici (cioè con riferimento a parametri quali
magnitudo, distanza dal sito) vanno considerati i seguenti aspetti (Bommer e Acevedo, 2004):
ƒ la magnitudo costituisce il parametro più importante nella ricerca in quanto influenza
fortemente il contenuto in frequenza (quindi la forma spettrale) e la durata del moto;
ƒ la distanza ha minore influenza sulla forma spettrale mentre condiziona sensibilmente
l’ampiezza del moto sulla quale, tuttavia, si può agire applicando un fattore di scala
all’accelerogramma; la durata cresce con la distanza ma tale incremento è in genere
trascurabile dal punto di vista pratico;
ƒ il regime tettonico gioca generalmente un ruolo secondario rispetto alla magnitudo e
alla distanza sorgente-sito;
ƒ se possibile, occorre evitare che una singola stazione o un dato terremoto siano
eccessivamente rappresentati nell’insieme di accelerogrammi selezionati.
Di conseguenza, trascurato il domino tettonico su cui peraltro non si hanno informazioni, la
ricerca degli accelerogrammi è stata effettuata sulla base di una finestra piuttosto stretta di
magnitudo (MS=5,8 ± 0.2) e più ampia in termini di distanza (d = 0÷30 km). Sulla base di
questi criteri sono stati individuate le 12 registrazioni riportate in tabella 1. Agli
accelerogrammi così individuati è stato applicato un filtro Bandpass definito dalle frequenze
0,2-15 Hz e quindi un fattore moltiplicativo costante (Fscala), riportato in tabella 1, in modo da
scalarli al valore 0,22g previsto dalle leggi di attenuazione. Il passo successivo è consistito
nell’accertare la compatibilità tra lo spettro di risposta degli accelerogrammi e quello di
riferimento. Un giudizio quantitativo sulla similitudine tra due forme spettrali può essere
espresso attraverso il parametro Drms, media degli scarti quadratici medi tra le corrispondenti
accelerazioni spettrali (Bommer e Acevedo, 2004):
D rms
1
=
N
⎛ SA 0 (Ti ) SA S (Ti ) ⎞
⎜⎜
⎟
−
∑
PGA S ⎟⎠
i =1 ⎝ PGA 0
N
2
(3)
dove N è il numero di periodi in corrispondenza dei quali sono specificati i valori spettrali,
SA0(Ti) è l’accelerazione spettrale al periodo Ti relativa all’accelerogramma selezionato,
SAS(Ti) è l’accelerazione spettrale dello spettro di riferimento al medesimo periodo, PGA0 e
PGAS sono rispettivamente l’accelerazione di picco dell’accelerogramma e quella di
ancoraggio dello spettro di riferimento. Il parametro Drms quantifica lo scostamento tra le
forme spettrali e non la differenza in ampiezza. I valori di Drms calcolati per tutti gli
accelerogrammi selezionati, rispetto allo spettro medio previsto dalla relazione AM96, nel
campo di valori del periodo tra 0,1 e 1,0 s, sono riportati in tabella 1.
Per la scelta degli accelerogrammi si è fatto quindi riferimento all’esame delle coppie DrmsFscala per ciascuna registrazione (figura 1): bassi valori di Drms indicano un buon accordo tra le
forme spettrali mentre quanto più Fscala è prossimo all’unità tanto maggiore è l’accordo
quantitativo tra le accelerazioni di picco e, generalmente, tra le ampiezze spettrali. Come è
noto, è sconsigliata l’applicazione di fattori di scala troppo elevati in quanto conduce a
contenuti di energia irrealistici per cui è opportuno utilizzare un Fscala < 2 o al massimo < 4
(Kramer, 1996). Per quanto riguarda il parametro Drms, Bommer e Acevedo (2004)
suggeriscono valori massimi dell’ordine di 0,10-0,20 e comunque tali da assicurare un
numero adeguato di accelerogrammi (almeno 5-7 registrazioni). In definitiva, si è scelto di
assumere Fscala < 2,5 e Drms< 0,10 che conduce alla selezione di 7 accelerogrammi (figura 1).
Non è superfluo notare che le stazioni di Gilroy #1 e Mt Wilson, inizialmente rappresentate da
due registrazioni, sono presenti una sola volta mentre, tra le tre registrazioni dell’aftershock
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del 15.09.1976 (terremoto del Friuli), soltanto una è stata selezionata. È stata quindi evitata
anche una eccessiva rappresentazione di una singola stazione o di un dato evento sismico
nell’insieme di input prescelti. Gli spettri di risposta dei 7 accelerogrammi selezionati e scalati
alla PGA stimata su roccia sono presentati in figura 2 insieme con quelli medi desunti dalle
leggi di attenuazione AM96 e P&S89. A titolo esemplificativo, per la relazione AM96, sono
mostrati anche gli spettri corrispondenti alla media ± la deviazione standard. Si noti che,
secondo quanto suggerito dalle normative europea e nazionale, la media degli spettri
selezionati è non inferiore al 90% delle ordinate dello spettro di riferimento (AM96) nel
campo di periodi 0-0,4 s di interesse per le usuali strutture (edifici in muratura di pochi piani).
Bibliografia
Ambraseys N. N., Simpson K. A., Bommer J. J. (1996). Prediction of horizontal response spectra in Europe. Earthquake
Engineering Structural Dynamics, 25: 371-400.
Bommer J. J., Acevedo A. B. (2004). The use of real earthquake accelerograms as input to dynamic analysis, Journal of
Earthquake Engineering, 8, special issue 1: 43-91.
Boschi E., Guidoboni E., Ferrari G., Valensise G., Gasperini P. (1997). Catalogo dei forti terremoti in Italia dal 461 a.C. al 1990 Versione 2. ING e SGA, Bologna. versione 3.1 su sito Internet http://storing.ingv.it/ctf/
CPTI (1999). Catalogo parametrico Terremoti Italiani. ING, GNDT, SGA, SSN, Bologna, 92 pp.
Kramer S.L. (1996). Geotechnical Earthquake Engineering. Prentice-Hall, New Jersey, 653 pp.
Margottini C., Molin D. (1990). La sismicità storica dell’area di Civita di Bagnoregio e Civita. In: Civita di Bagnoregio –
osservazioni geologiche e monitoraggio storico dell’ambiente, una ricerca ENEA, Progetto Civita, Roma.
Monachesi e Stucchi (eds.) (1997). DOM4.1, un database di osservazioni macrosismiche di terremoti di area italiana al di sopra
della soglia del danno. GNDT, http://emidius.mi.ingv.it/DOM.
Montaldo V., Faccioli E., Zonno G., Akinci A., Malagnini L. (2005). Treatment of ground-motion predictive relationships for the
reference seismic hazard map of Italy. J. Seismology, 9, 295-316.
Pugliese A., Sabetta F. (1989). Stima di spettri di risposta da registrazioni di forti terremoti italiani. Ing. Sismica, Anno VI, n.2.
Tabella 1. Caratteristiche degli accelerogrammi naturali selezionati.
Stazione
Comp.
Terremoto
Cascia
NS
Valnerina 19.09.1979
Cerreto di Spoleto
EW
Umbria-Marche 14.10.1997
San Rocco
EW
Friuli aftershock 15.09.1976
Gilroy array #1
320
Coyote Lake 06.08.1979
Silent Valley
090
Palm Springs 08.07.1986
Mt Wilson
000
Sierra Madre 28.06.1991
Atina
NS
Lazio-Abruzzo 07.05.1984
Gilroy array #1
320
Morgan Hill 24.04.1984
Robic
NS
Friuli aftershock 15.09.1976
Tarcento
NS
Friuli aftershock 15.09.1976
Hercegnovi
EW
Montenegro 15.04.1976
Mt Wilson
000
Whittier Narrows 01.10.1987
Meccanismo
normal
normal
thrust
strike-slip
reverse/oblique
thrust/reverse
normal
strike slip
thrust
thrust
thrust
reverse/normal
MS
5.84
5.6
6.0
5.6
6.0
5.6
5.8
6.1
6.0
6.0
5.8
5.7
dJB
6
12
9
9
26
10
12
16
12
6
22
21
PGA (g)
0.184
0.326
0.260
0.143
0.100
0.250
0.090
0.086
0.087
0.139
0.069
0.088
Fscala
1.20
0.68
0.86
1.54
2.16
0.88
2.44
2.55
2.53
1.58
3.19
2.50
Drms
0.073
0.090
0.049
0.077
0.085
0.086
0.098
0.102
0.088
0.126
0.112
0.171
3.5
1.2
Hercegnovi EW
3
Accelerazione spettrale, Sa (g)
fattore di scala, Fscala
2.5
Mt Wilson 000 (W. N.)
Silent Valley 090
Atina NS
2
Gilroy #1 320 (Coy. Lake)
1.5
1
Gilroy #1 320 (Morgan H.)
Robic NS
Tarcento NS
Cascia NS
Mt Wilson 000 (Sierra Madre)
1
Ambraseys et al., 1996 (media)
Ambraseys et al., 1996 (media ± σ)
Pugliese e Sabetta, 1989 (media)
Cascia NS
Cerreto di Spoleto EW
San Rocco EW
Gilroy #1 - 320 (C.L.)
Silent Valley 090
Mt Wilson 000 (S.M.)
Atina NS
media accel. naturali
0.8
0.6
0.4
0.2
San Rocco EW
Cerreto di Spoleto EW
0.5
0
0.05
0.1
Drms
0.15
0.2
Figura 1. Compatibilità tra gli spettri di risposta
degli accelerogrammi selezionati e lo spettro di
riferimento: fattori di scala applicati (Fscala) e media
degli scarti quadratici medi (Drms).
Pagliaroli, D’Elia e Lanzo
0
0.1
Periodo, T (s)
1
Figura 2. Spettri di risposta degli accelerogrammi
selezionati scalati alla PGA attesa e spettri previsti dalle
relazioni di attenuazione.