Staff: Nunziata C., Costanzo M.R.

Collaborazioni:

Romanelli F., Peresan A., Vaccari F. Dipartimento di Matematica e Geoscienze, Università di Trieste

Indirli M., ENEA, Agenzia Nazionale Nuove tecnologie, Energia e Sviluppo economico sostenibile

Antonio Formisano, Dipartimento di Strutture per Ingegneria e Architettura, Univ. Napoli Federico II

L’attività di ricerca è basata sull’approccio deterministico della valutazione del moto al suolo. Sismogrammi realistici (onde di volume e superficiali) vengono calcolati, per sorgenti puntiformi scalate o estese, con una tecnica ibrida comprensiva dei metodi della somma dei modi e delle differenze finite (Fig. 1). La tecnica della somma dei modi è usata per calcolare il moto al suolo nella struttura stratificata anelastica 1-D. Il campo d’onda risultante per le onde SH e P-SV viene poi utilizzato per definire le condizioni al contorno della regione anelastica 2-D in cui viene applicata la tecnica delle differenze finite. I sismogrammi lungo le componenti verticale, trasversale e radiale del moto al suolo sono calcolati in un numero prefissato di punti sulla superficie. Le amplificazioni spettrali sono calcolate come rapporti tra gli spettri di risposta calcolati lungo la sezione bidimensionale e i corrispondenti spettri di risposta calcolati per il modello di riferimento unidimensionale.

Fig. 1 Rappresentazione schematica del metodo ibrido. Le linee spesse nere rappresentano i bordi artificiali per la griglia delle differenze finite. Le serie temporali calcolate con il metodo della somma dei modi per una struttura stratificata anelastica 1-D (spessa 95 km), sono utilizzate come input lungo due colonne verticali (linee rosse) per i calcoli con il metodo delle differenze finite. I sismogrammi 2-D sono calcolati in corrispondenza di una serie di ricevitori (triangoli neri) ubicati lungo la sezione di calcolo.

Il punto chiave di una stima realistica del moto al suolo è la definizione di modelli di velocità sismiche di taglio (V_S). Modelli di Vs sono definiti a profondità variabili da decine di metri fino alle decine di chilometri. Tali modelli sono ottenuti attraverso l’inversione non-lineare (metodo Hedgehog) della curva di dispersione delle velocità di gruppo del modo fondamentale delle onde superficiali di Rayleigh, generate sia naturalmente (rumore ambientale, terremoti) che artificialmente (massa battente o cariche esplosive). Le velocità di gruppo del modo fondamentale sono ottenute con la tecnica multifiltro Frequency Time Analysis (FTAN) applicata ad un segnale sismico.

Negli ultimi anni sono stati condotti con successo esperimenti di estrazione della funzione di Green (onde superficiali) dalla cross-correlazione del rumore sismico registrato con 2 stazioni, sia a scala locale (distanza stazioni di decine di chilometri), sia a piccola scala (distanza stazioni di 60-4000 m) nell’area urbana di Napoli. I risultati della ricerca sono molto importanti perché hanno dimostrato la ripetibilità e la robustezza della cross-correlazione del rumore sismico e la potenza del metodo di investigare profondità proibitive nelle aree urbane, senza perforazione e sorgente.

Confronti con i metodi basati sulle velocità di fase (SASW, f-k, MASW) e le misure in foro hanno consentito di stabilire che il metodo FTAN fornisce risultati eccellenti ed è particolarmente raccomandato per misure in aree fortemente urbanizzate perché (1) ha bisogno di un solo ricevitore sulla superficie, (2) non è inficiato da rumore, (3) i modelli di V_S sono in ottimo accordo con le misure in foro cross-hole e down-hole.

Risultati principali della ricerca:

1) Sismo-stratigrafie dell’area urbana di Napoli (Fig. 2);

2) Metodo empirico per la valutazione della liquefazione;

3) Definizione della crosta e del mantello superiore nelle aree vulcaniche di Campi Flegrei, Ischia, Vesuvio e Roccamonfina, nell’area napoletana e nella Piana Campana (Fig. 3).

Fig. 2 Esempio di modelli di V_S nell’area urbana di Napoli (e) ottenuti dall’inversione non-lineare (metodo Hedgehog) del modo fondamentale delle velocità di gruppo delle onde di Rayleigh (d) estratto con il metodo FTAN (c) da funzioni di cross-correlazione (b) calcolate tra coppie di ricevitori (stendimento linea rossa in a).

Fig. 3 Modelli di V_S nella Piana Campana confrontati con le sezioni geologiche 8-9 (modificate da Mostardini e Merlini, 1986) nei punti di intersezione (1-2-3) con i cammini investigati. I profili di velocità sono in accordo con il modello geologico fino ad una profondità di ~ 8 km, invece lo strato con V_S=3.85 km/s può essere attribuito a rocce metamorfiche e non alle rocce sedimentarie del bacino di Lagonegro

Studi di microzonazione sismica sono stati effettuati nelle città di Napoli, Fabriano, Nocera Umbra, Sellano, Catania, L’Aquila e Poggio Picenze.

Come esempio vengono mostrati i risultati principali della valutazione del moto al suolo a Poggio Picenze per il terremoto del 6 Aprile 2009 (M_W 6.3).

La città di Poggio Picenze, a ~12 km SE di L’Aquila, riportò un’intensità di danno di VIII-IX (MCS) per il terremoto del 6 Aprile 2009. Dopo il terremoto due stazioni (M128 e PGG) furono installate nel centro storico e registrarono molti aftershock.

Come primo step, le registrazioni di sedici aftershocks (2.0 ≤ M_L ≤ 4.2), localizzati nell’area epicentrale del forte evento (M_W 6.3), sono state analizzate per definire profili di V_S con la profondità attraverso l’inversione non-lineare delle curve di dispersione del modo fondamentale delle onde Rayleigh estratto con la frequency-time analysis (Fig. 4).

Successivamente, i modelli di V_S locale e regionale, oltre a due misure down-hole superficiali, sono stati usati per definire due sezioni di calcolo 2-D passanti per le stazioni sismiche M128 e PGG (Fig. 5). Il moto al suolo è stato calcolato lungo le sezioni per l’aftershock più forte e confrontato con quello registrato.

Alla luce del buon fitting (Fig. 6), il moto al suolo è stato calcolato per il terremoto del 6 Aprile 2009 (Fig. 7). Sono state stimate amplificazioni spettrali fino a 5-6 a frequenze di 3-4 Hz, per la componente verticale, e fino a 2-3 a frequenze di 2-6 Hz per le componenti orizzontali. Le accelerazioni al suolo sono massime nel piano orizzontale, lungo la componente trasversale (circa 0.4 g) e sono la metà lungo la componente verticale.

Fig. 4 In alto: Ubicazione degli aftershock analizzati (stella, per eventi con M_L≥ 3.2; cerchi pieni per eventi con 2.0 < M_L < 3.2) e delle stazioni registranti M128 (INGV-RAIS network) e PGG (RAN network). Sono anche mostrati i cammini studiati 1 e 2 dagli aftershock alle stazioni e l’epicentro del terremoto del 6 Aprile 2009 (M_W=6.3) (stella azzurra). In basso: curve di dispersione del modo fondamentale delle onde di Rayleigh estratte dalle registrazioni di aftershock nella stazione M128, lungo il cammino 1. I modelli di V_S sono stati ottenuti dall’inversione non-lineare della curva di dispersione media con barre di errore.

Fig. 5 Sezioni di calcolo 2-D passanti per le stazioni PGG e M128 con i parametri fisici dei litotipi

Fig. 6 Spettri di risposta registrati e calcolati (calcolati per damping 5%) nella stazione PGG per l’aftershock del 12 July 2009.

Fig. 7 Variabilità dei picchi di accelerazione al suolo (A_max) lungo la sezione di calcolo e degli spettri di risposta (damping 5 %) calcolati per il sito della stazione PGG, al variare di dip e strike proposti in letteratura per il il terremoto del 6 Aprile 2009. Le amplificazioni (RSR 2D/1D) mostrate in basso sono relative all’assunzione di strike 147° e dip 56°. Dall’alto verso il basso: componenti verticale, radiale e trasversale del moto al suolo calcolato.