Enrico Priolo
La risposta sismica locale
Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale - OGS
Dipartimento Centro di Ricerche Sismologiche -CRS, Udine
CISM – Analisi dinamiche dei ponti
Udine, 18 aprile 2008
Sommario
• Introduzione e concetti di base
• Metodi geofisici per la stima degli effetti di sito:
• rapporti spettrali da terremoti;
• rumore sismico;
• analisi ad array.
• Casi studio:
• risposta delle valli alpine;
• risposta sismica a Spoleto (PG);
• studio per la progettazione di un viadotto a Spinea (VE).
Risposta sismica di sito
Introduzione
Per risposta sismica locale si intendono le variazioni dei parametri della
pericolosità di base dovute alle condizioni geologiche e geomorfologiche del
sito.
Da: Naso, Petitta e Scarascia Mugnozza (2004). La Microzonazione Sismica. CD-ROM allegato a Geologia
Tecnica & Ambientale, 4/2004.
Cause degli effetti di sito:
• geologia locale;
• morfologia superficiale e sepolta.
Talvolta, possono dipendere dalla posizione della sorgente sismica,
ovvero dalla direzione di provenienza del campo d’onda.
Risposta sismica di sito
Cause ed effetti
Cause fisiche
Modificazione del campo
d’onda sismico a causa di:
• suoli (sciolti) superficiali;
• bacini lacustri, fluviali, glaciali;
• rilievi, scarpate, creste;
• faglie, dislocazioni;
• edifici e manufatti.
La caratterizzazione della risposta di sito è fondamentale valutare:
• la risposta sismica locale ⇒ effetti di sito primari (1D, 2D/3D);
• gli effetti indotti (secondari) dallo scuotimento (frane, liquefazione, …);
• la risposta sismica delle strutture e dell’interazione suolo-struttura.
Esempi di effetti di
sito devastanti
Kobe 1995
• M7.2, dist.<20 km, near fault;
• ~5100 morti;
• "fascia di danno" ed effetti di
bordo di bacino.
Mexico City 1985
• M8.1, dist.~350 km;
• ~9000 morti;
• Danneggiamenti rilevanti
nell’area del lago;
• Amplificazione molto forte.
(Pitarka & Irikura, 1998)
Sa (g)
0.75g
MEXICO 1985
x 7.7
SCT
Roccia
0.15g
x 5
0.035g
T (s)
(Mouroux, 1999)
Cause dell’amplificazione
Modello di sito classico: ingegneristico 1D:
• bedrock rigido;
• sedimenti con stratificazione orizzontale.
L’amplificazione è effetto dell’intrappolamento dell’energia principalmente
per riverberazione verticale.
R = Rock
outcropping motion
Note: R = 2U
S = Unknown motion at soft site
U = Incoming motion
Cause dell’amplificazione
In generale, le cause e i modelli interpretativi sono più complessi.
Effetti
topografici
Effetti di bordo
del bacino
Effetti
stratigrafici
Cammino di
propagazione
Sorgente
sismica
Rifrazioni;
Diffrazioni;
Focalizzazioni;
Riverberazioni orizzontali e verticali;
Interferenze;
Dispersione delle onde.
Effetti di sito
• Amplificazioni localizzate che variano fortemente con la frequenza;
• Maggiore durata a causa del’intrappolamento delle onde;
• Risonanza a “certe frequenze” proprie del sito.
+ Non linearità dei suoli !
• Fattori d’amplificazione osservati/misurati:
– Medi: ~ 2 correntemente osservati;
– Domino spettrale: ~ 5 correntemente; ~ 10 eccezionalmente;
– Relativamente stabili da un terremoto all’altro;
• Controllano parzialmente o totalmente la distribuzione dei danni.
• Quantificazione meno difficile degli effetti di sorgente ⇒ molto importanti
in ambito di prevenzione.
Cause dell’amplificazione
1) Caso 1D:
Riverberazione verticale
2) Caso 2D / 3D:
Riverberazioni laterali e focalizzazioni
+ sedimenti fini (fluviali e lacustri)
ρ1 , β1, ζ1
h
fo=Vs/4h
frequenza
amplificazione
amplificazione
ρ2, β2,ζ2
fo
frequenza
L’esempio di Grenoble
• Valle glaciale:
– Depositi recenti (post-glaciali <
25 000 anni)
– Spessori elevati (> 900m)
– Depositi lacustri (argille)
– Geometria 2D / 3D di valle
molto incassata
– Basamento molto rigido
• Sismicità moderata ma:
– Urbanizzazione diffusa in
tutta la valle (∼ 160.000 →
500.000 ab.)
– Importanti infrastrutture e
industrie (nucleari, chimiche,
high-tech)
• Esempio: terremoto di
Laffrey
Grenoble
Registrazione del terremoto di Laffrey (ML=3.5) del 11/01/1999
Campus
Amplificazione
Velocità (mm/s)
Sud Parc
Mistral
OGDH site
f0
10
Cimetière
Saint-Roch
Cimetière
Saint-Roch
Cimetière
Saint-Roch
Musée
Dauphinois
1
0.1
1
Frequenza
10 Hz
• Frequenza fondamentale = 0.25 Hz
• Banda amplificata = 0.25-3 Hz
• Piani edifici = 3-20
Pont-deClaix
F
F
Tempo (s)
(Courtesy by P.-Y. Bard)
Stima degli effetti di sito
Elementi determinanti
– Morfologia superficiale e sepolta (riconoscere formazioni
omogenee);
– Geometria del contatto substrato/alluvioni;
– Contrasto di impedenza tra substrato e alluvioni;
– Proprietà meccaniche dei sedimenti (velocità, assorbimento, ...).
Approcci
– Metodi diretti: misure di terremoti e rumore ambientale;
– Metodi indiretti: modelli di calcolo numerico.
Indagini
– Geologia (superficiale e profonda);
– Geofisica (sismica, sismologia, elettrica, …);
– Geotecnica (sondaggi, perforazioni, …).
! Talvolta, fino a
grande profondità !
Rapporti spettrali H/Href da terremoti
Spettri registrati in superficie e in pozzo
(Steidl et al., BSSA, 1996)
Il sito è di riferimento nella banda di
frequenza per cui preserva ampiezza e
coerenza del segnale.
Sono stati dimostrate valide distanze
anche di 20 km (Los angeles, Steidl et al., 1996).
Rapporti spettrali H/Href da terremoti
Stazione accelerometrica di Tolmezzo-Ambiesta (UD)
(Barnaba et al., BSSA, 2007)
• Reference site: San Rocco (UD)
(dist. 23 km);
• About 20 earthquakes;
Limiti della stima della
risposta
di sito darecordings.
• Only
3 simultaneous
terremoti deboli:
• scarsa sismicità;
• risposta lineare Ö sovrastima l’amplificazione;
• basse frequenze (finestre di analisi corte).
a) RS: spectral ratio (Borchert, 1970);
b) GIT: generalized inverison technique (Boatwright et al., 1991);
c) MR: Median from European attenuation relations;
d) RF: receiver function (Lermo et al., 1993);
e) Average of RS and GIT.
Rapporti spettrali H/V da rumore sismico
(stazione singola - metodo di Nakamura)
• Registrazioni passive di rumore sismico ambientale;
• Rapporti spettrali H/V a stazione singola;
• Procedure ormai standardizzate (es. progetto SESAME).
PRO
• Metodo rapido, economico, non invasivo: permette di mappare in dettaglio
l’area studio;
• Individua la frequenza di risonanza fondamentale del sito;
• La media del rapporto è correlata al fattore di amplificazione medio;
CAVEAT
• Presenza di edifici, alberi, vento, condizioni meteo avverse …;
• La curva H/V NON rappresenta l’amplificazione né spettrale né di picco.
Inversione dei rapporti H/V a stazione singola
(Bard, 1999;
Faeh et al., 2006)
• I rapporti H/V riflettono le caratteristiche di ellitticità/polarizzazione delle
onde di Rayleigh;
• Il picco compare con un contrasto di impedenza maggiore a 2-2.5;
• Picco largo ⇔ contrasto di impedenza graduale.
Reference Station
Confronto tra H/Href e H/V
(Courtesy by A. Rovelli)
12
8
4
2
4
6
8
10
6
4
2
2
4
6
8
Frequency (Hz)
10
H/V noise
per la stazione al
Centro e per la
stazione
di riferimento
del bacino
(media)
Registrazioni ad array
Registrazioni di:
• Terremoti;
• Rumore sismico;
• Sismica attiva.
Elaborazioni:
• Rapporti spettrali rispetto a sito di riferimento ;
• Analisi nel dominio (f,k):
• energia in funzione della frequenza e direzione di propagazione;
• ricostruzione del profilo verticale di velocità dall’analisi delle
proprietà di dispersione delle onde.
Con il rumore sismico sono
indispensabili vincoli esterni
Processing di registrazioni di rumore sismico ad array ⇒ SESAME project.
Analisi delle onde superficiali per misure in
situ di velocita` delle onde S
Singolo simogramma
Analisi velocità-frequenza
Analisi classica di
sismica a rifrazione
Campo d’onda
Profili di velocita` P e S
Analisi f-k
Inversione c(f)
Inversione velocità
di gruppo U(f)
+ vincoli esterni
Velocità di fase c(f)
Risposta sismica delle valli alpine
1D o 2D?
2L
Progetto
SISMOVALP
h
Ô
|
(Bard & Bouchon, BSSA, 1985)
Risposta sismica delle valli alpine
Simulazione numerica 2D
(Laurenzano et al., 2006)
• Profilo valle media Progetto Sismovalp: benchmark 2D;
• Onda piana incidente verticalmente;
• Metodo agli elementi spettrali (Priolo, JCA, 2001).
Risposta sismica delle valli alpine
Effetti di bordo
C
1
POLIMI
ETH
UJF - SH 0°
UJF - P-SV
SA (g) 2D
0.8
0.6
(Courtesy by R. Paolucci)
E1
E2
right (dashed)
right (dashed)
EC8 - type II - C
0.4
EC8 - type I - C
0.2
left (continuous)
0.01
0.1
1
T (s)
10 0.01
0.1
left (continuous)
1
10 0.01
0.1
T (s)
1
T (s)
Risposta sismica delle valli alpine
Modi fondamentali di vibrazione
(Roten & Faeh, GJI, 2007)
10
Vallese - Array densi temporanei
(Courtesy by D. Roten and D. Faeh)
Vallese (Vétroz) - Arrays per parametri strutturali (VP, VS)
(Courtesy by D. Roten and D. Faeh)
Vallese (Vétroz) - Arrays per parametri strutturali (VP, VS)
(Courtesy by D. Roten and D. Faeh)
Vp
Vs
Curva di
dispersione
Vallese (Vétroz) – Array per risposta sismica
(Courtesy by D. Roten and D. Faeh)
Vallese (Vétroz) – Rapporti spettrali da array
(Courtesy by D. Roten and D. Faeh)
0.35 Hz (SH00)
0.43 Hz (SH01)
Risonanza fondamentale (2D/3D)
Metodo semplificato di Rayleigh (Paolucci, Eqk. Spectra,1999)
Metodo semplificato per calcolare i modi e le frequenze di vibrazione di
valli in 2D e 3D.
Centro storico di Spoleto
Studi propedeutici alla microzonazione (2006-2007)
Indagini effettuate
INDAGINI
• Registrazioni di terremoti (17 siti “sensibili”);
• Registrazioni di rumore sismico (~80 siti);
• Registrazioni con sorgente attiva (~15 battute, 20 stazioni);
• Acquisizione ad array (2 siti).
METODI DI ELABORAZIONE
• Rapporti spettrali (rispetto a sito di riferimento, ed altro …);
• Rapporti spettrali H/V da rumore;
• Inversione tomografica di Vp e Vs;
• Stime di Vs da inversione di onde di superficie.
Registrazioni di terremoti + rumore
Rapporti spettrali rispetto a sito di riferimento + H/V
• Frequenza fondamentale da rumore sismico;
• Amplificazione media nella banda [0.1s, 2.0s].
Si individuano due zone ben distinte:
A) a Sud Ovest con marcata
amplificazione in bassa frequenza,
B) a Nord-Est con scarsa amplificazione.
Acquisizioni con sorgente attiva
Massa da 1200 kg in
caduta da 8-10 m
Stima di Vs da analisi delle onde di superficie
• Apertura array: ~160 m
• Max. profondità indagine:
~80-100 m
Rilievi sismici preesistenti
Massima profondità 30 m
S1 Vs via delle Mura
S2 Vs Parco “Chico
Mendez”
Stima di Vs da
dispersione
delle onde di
superficie
Inversione del profilo
di velocità vincolata
con la frequenza
fondamentale di
risonanza.
Max prof. risolta
H/V da rumore
Funzione trasf. profilo
invertito
Spettri di risposta (e di progetto) specifici di sito
Procedura di calcolo
1. Selezione di storie accelerometriche compatibili con la storia
e la pericolosità sismica di Spoleto;
2. Per i siti dove sono stati registrati i terremoti:
• per ogni sito, calcolo delle storie accelerometriche
amplificate attraverso convoluzione degli accelerogrammi
con la funzione di trasferimento stimata da terremoti;
• calcolo di fattori di amplificazione, spettri di risposta e
loro incertezza;
• confronto con gli spettri di progetto da normativa e quelli
a pericolosità uniforme (Progetto Sismologico S1).
Spettri di risposta (e di progetto) specifici di sito
Sito: Scuola
Dante Alighieri
Area Sud-Ovest
Spettri di risposta (e di progetto) specifici di sito
Sito: Chiostro di
S. Nicolò
Area Nord-Est
Spettri di risposta (e di progetto) specifici di sito
Sito: S. Gregorio
Area Nord-Est
Spettri di risposta (e di progetto) di sito
Zona 1/ Suolo BCE
Zona 1 / Suolo A
Studio a Spinea (VE)
Progettazione dello scavalco della linea ferroviaria Mestre-PD
(consulenza per l’impresa Fadalti s.p.a.)
• Classificazione sismica del suolo presso il sito;
• Accelerogrammi e spostamenti rappresentativi dell’input sismico.
Comune di Martellago
Classe sismica 3
ag < 0.15 g
Comune di Spinea
Classe sismica 4
ag < 0.05 g
Comune di Venezia
Classe sismica 4
ag < 0.05 g
Analisi della dispersione
delle onde di superficie e
profilo sismico a rifrazione
Profondità di indagine fino a
200-250 m
Profilo Vs e classificazione del suolo
T= 0,9 s
Il sito sarebbe C in base alla
Vs30, ma a causa del
contrasto di impedenza a
80m di profondità, ha una
frequenza di amplificazione
di 0.9 Hz, che è molto
inferiore a quella tipica dei
siti di categoria C (2-7 Hz).
Classe S2?
La banda di frequenze di interesse per lo scavalco è 0.5-2 Hz!!!
40-50 km
acc (g)
pga=0.03g
0
−0.05
−
0
50
100
10
0.15
pgd=5.7cm
−1
Spettro
uniform hazard
T=475
anni
−2
−3
0
−10
−4
0
50
t(sec)
Calcolato
−5
−6
−7
0.5
5
−5
+σ
1
1.5
S
T(sec)
2
−8
P
−9
−10
0
2
4
Sa(g) damping 5%
0.05
dis (cm)
0
0.1
”
• Terremoto:
ipotetico M6.7 al
Montello; 0
0
• Sito in pianura.
0.05
model Velocity
Depth (km)
6
0.1
0.05
0
0
(km/s)
0.5
1
1.5
T(sec)
Spinea - Spostamento calcolato in profondità
Componenti orizzontali NS e EW
10 cm
NS
100
0.15
EW
Profondità (m)
Sa(g) damping 5%
Calcolo di
sismogrammi
rappresentativi
dell’azione
sismica al sito
Spostamento orizzontale (cm)
2
Conclusioni
Gli effetti di sito sono:
• relativamente stabili da un terremoto all’altro ma …
• … talvolta molto complessi da valutare;
• controllano la distribuzione dei danni;
• importanti in ambito di prevenzione.
La stima con rapporti spettrali rispetto a sito di riferimento da registrazione
di terremoti è il metodo migliore, però …
• bisogna avere un livello di sismicità sufficientemente elevato;
• terremoti deboli ⇒ sovrastima dell’amplificazione;
• cautela per l’utilizzo con forti terremoti.
Conclusioni (2)
Vs30 è un parametro spesso inadeguato per classificare il sito. In
particolare bisogna stimare correttamente:
• esistenza di contrasti di impedenza (a volte profondi);
• profilo di velocità a profondità anche elevate (es.: 100 m).
Bisogna riuscire a quantificare eventuali situazioni 2D o 3D e utilizzare
modelli interpretativi consistenti.
Importanza degli studi geologici e geofisici, oltre a quelli geotecnici, per la
determinazione della risposta sismica nell’ambito della normativa vigente.
Consigliabile usare più metodi di indagine.
Conclusioni
Gli effetti di sito sono relativamente stabili da un terremoto all’altro e
controllano parzialmente o totalmente la distribuzione dei danni.
Questo rende la loro quantificazione molto importante in ambito di
prevenzione.
Talvolta, tuttavia questi effetti sono molto complessi e possono addirittura
dipendere dalla posizione relativa del terremoto.
La stima con rapporti spettrali rispetto a sito di riferimento da registrazione
di terremoti è il metodo migliore, però …
• bisogna avere un livello di sismicità sufficientemente elevato, e
• terremoti deboli ⇒ sovrastima dell’amplificazione.
I risultati ottenuti con terremoti di bassa magnitudo devono essere utilizzati
con cautela per previsioni di forti terremoti (diversa natura del campo
d’onda, non-linearità, etc.).
Risposta sismica di sito
Cause ed effetti
Effetti di sito (primari)
• Faglie attive vicine
• Stratigrafia
• Morfologia sepolta
• Topografia
Effetti indotti (secondari)
• Aperture di faglie e fratture in
superficie
• Instabilità di pendii o versanti
• Cedimenti del suolo
(liquefazione/densificazione)
Valle del Tagliamento – Cavazzo Carnico
Terremoto MD=5.1 di Kobarid del 12.07.2004 (Dist=45 Km)
Band-pass
0.05 – 1.0 Hz
Apertura array = 2.2 km
Modellazione numerica: parametri necessari
Geometria
1D: spessori degli strati
2D, 3D: geometria del basamento
Parametri visco-elastici
Velocità delle onde S e P
VS, VP
Densità
ρ
Attenuazione (funz. della frequenza)
Q(f)
Parametri non-lineari (grandi deformazioni)
Modulo di taglio
Smorzamento
Contenuto di acqua (saturazione)
G (γ)
ζ (γ)
Vallese (Vétroz) – Rapporti spettrali da array
(Courtesy by D. Roten and D. Faeh)
0.38 Hz (SV0)
Rapporti spettrali H/Href da terremoti
Rapporti spettrali su finestre temporali di
diversa durata.
T = 20 s
Limiti della stima della risposta di sito
da terremoti deboli:
• scarsa sismicità;
• risposta lineare Ö sovrastima
l’amplificazione;
• basse frequenze (finestre di analisi
corte).
T=4s
Rapporti spettrali H/Href da terremoti
Il sito di riferimento preserva
ampiezza e coerenza del
segnale.
Registrazioni di terremoti
Rapporti spettrali rispetto a sito di riferimento + altri metodi
• Periodo: dicembre 2005 - ottobre 2006;
• N. siti: 9 + 8;
• N. eventi registrati: 113 (M ≤ 4.2).
Funzione di
trasferimento di sito
• Utilizzati diversi schemi di stima della risposta spettrale.
Si ottengono stime simili da terremoti vicini e lontani,
profondi e superficiali Ö amplificazione 1D
Frequency (Hz)
Frequency (Hz)
Frequency (Hz)
Rapporti spettrali H/V da rumore sismico
• Siti misurati: ~80;
• Rapporti spettrali tra componente
orizzontale e verticale del rumore.
f0: frequenza fondamentale di vibrazione
Amplificazione media (Fa [0.1s, 2.0s])