Relazione finale progetto di ricerca “Seismic Response Analysis
by passive seismic methods and numerical modelling”
Studente: PERUZZI GIACOMO
Docente Tutor: PROF. ALBARELLO DARIO
Attività svolta nell’anno accademico 2016/2017
Nel corso dei primi due anni la mia attività di ricerca si è concentrata su tematiche quali: l'applicazione di codici di calcolo per la risposta sismica locale monodimensionale e bidimensionale per la costruzione di strumenti per una valutazione semplificata dell'amplificazione sismica (per la microzonazione sismica di livello 2). Tali codici di calcolo sono stati anche utilizzati per la valutazione dell'amplificazione sismica sia per quanto riguarda le componenti orizzontali del moto, sia per quanto riguarda le componenti verticali; tutto ciò per valutare la risposta sismica locale in contesti geologici (ad esempio i bordi di un bacino), per i quali l’applicazione di un approccio semplificato, così come un modello monodimensionale risulta meno idoneo. Questi strumenti hanno anche trovato applicazione per determinare gli effetti della risposta sismica locale in corrispondenza delle stazioni accelerometriche della Rete Accelerometrica Nazionale (RAN).
La mia attività di ricerca ha interessato anche tematiche quali l'applicazione di tecniche di sismica passiva per la costruzione di modelli geologici e sismostratigrafici di dettaglio (nell'ambito di studi di microzonazione sismica) e per la caratterizzazione dinamica di edifici, in particolare di quelli di elevato valore storico – culturale.
Nel corso dell'ultimo anno accademico la mia attività di ricerca è proseguita su tematiche quali: l'applicazione di codici di calcolo per la risposta sismica locale bidimensionale finalizzata alla valutazione dell'amplificazione sismica relativa alle componenti orizzontali e verticali del moto, permettendo di valutare gli effetti di conformazioni geologiche complesse non affrontabili mediante i modelli semplificati di uso corrente.
La mia attività di ricerca ha proseguito il lavoro precedentemente svolto su tematiche quali l'applicazione di tecniche di sismica passiva per la costruzione di modelli geologici e sismostratigrafici di dettaglio (nell'ambito di studi di microzonazione sismica). Inoltre, nell’ambito dell’attività svolta dal Dipartimento di Scienze Fisiche, della Terra e dell’Ambiente dell’Università di Siena a seguito del terremoto in Centro Italia (2016), mi sono occupato di studi di risposta sismica locale (monodimensionale e bidimensionale) di supporto alla Microzonazione Sismica di livello 2 e 3 del comune di Montegallo (AP).
Di seguito sono descritte con maggior dettaglio le attività di ricerca svolte.
Stima dell'amplificazione sismica mediante abachi per studi di microzonazione sismica di livello 2
Sono stati realizzati abachi per la valutazione dell'amplificazione sismica (in situazioni geologiche caratterizzate da eterogeneità solo verticali) per la regione Toscana, Puglia e Marche.
A partire dal reperimento tutte le informazioni geologiche e geofisiche (fornite dagli enti regionali), opportunamente selezionate e raggruppate secondo una suddivisione geologica e geografica del territorio regionale, si è proceduto come sinteticamente descritto di seguito.
Prima fase
1. Scelta delle tipologie litostratigrafiche (TLS, in pratica colonne stratigrafiche tipo),
2. parametrizzazione in termini di densità, intervalli di velocità delle onde S (di seguito indicate come Vs) e spessore, curve dinamiche) delle unità
litostratigrafiche,
3. selezione del moto di input. Seconda Fase
1. Generazione casuale di profili di Vs (variando le velocità, gli spessori e le curve dinamiche,
2. scelta dei profili (confrontandoli con i dati reali),
3. calcolo del fattore di amplificazione (FA) a partire degli spettri di risposta per ogni TLS e per ogni moto di input (accelerogrammi)
Terza fase
1. Caratterizzazione statistica dei valori di FA per ogni TLS e gruppi di accelerogrammi,
2. caratterizzazione delle diverse distribuzioni e scelta dei parametri di ingresso.
Quarta fase
1. Costruzione degli abachi, 2. validazione degli abachi.
Verifica dell'applicabilità degli abachi della regione Toscana per la microzonazione sismica di livello 2
1-Gli abachi sono st
rumenti costruiti su modelli geologici monodimensionali, pertanto l'obiettivo del lavoro svolto è stato di valutare in quali situazioni geologiche “complesse” potessero comunque essere applicati.
Come riferimento è stato ipotizzato un bacino di larghezza fissata, circondato da una superficie topografica completamente pianeggiante. La profondità del bacino, l’inclinazione dei suoi bordi, le proprietà del materiale (velocità delle onde S e smorzamento) di riempimento del bacino e del “substrato geologico” sono tutte state variate in modo da poter descrivere una casistica sufficientemente ampia. La risposta sismica del bacino è stata valutata attraverso l’utilizzo di un codice di calcolo che utilizza il metodo degli elementi di contorno per effettuare analisi di risposta sismica locale bidimensionale.
I risultati di queste simulazioni e delle simulazioni monodimensionali eseguite contestualmente (espressi in termini di FA), sono stati confrontati con quelli che si ottengono utilizzando gli abachi.
Analisi di deconvoluzione in alcuni siti di stazioni della rete accelerometrica nazionale (RAN)
A monte di tale lavoro è stata svolta una campagna di misure di sismica passiva, che ha consentito di caratterizzare in termini di profili di Vs i terreni su cui sono poste alcune stazioni della rete accelerometrica nazionale (tra quelle poste su terreni non corrispondenti a categorie di sottosuolo di tipo A). A partire dall'elaborazione dei dati ottenuti si è cercato di stimare l'amplificazione stratigrafica prodotta dalle rocce sedimentarie poste al di sopra del substrato sismico (Vs > 800 m/s).
Per fare ciò è stato preso in considerazione il moto sismico registrato in superficie dalle stazioni in oggetto (considerata ciascuna singolarmente) e con un codice di calcolo per la risposta sismica locale monodimensionale si è ottenuto come output per ciascuna il moto alla base delle “coperture” sovrastanti il substrato sismico (descritte mediante opportuni valori di densità, curve dinamiche, intervalli di variazione delle Vs e di profondità del substrato).
Attraverso alcuni parametri diagnostici si sono poi confrontati i valori corrispondenti alla superficie (dati reali registrati dalla stazione) con i valori (o meglio la popolazione di valori) calcolati alla profondità corrispondente al substrato sismico, al fine di valutare gli effetti dell'amplificazione stratigrafica. Applicazione di tecniche di sismica passiva per la caratterizzazione dinamica degli edifici
In collaborazione con l'università di San Marino sono state effettuate misure di vibrazioni ambientali per la misura del periodo fondamentali di alcuni edifici monumentali presenti nel centro storico patrimonio UNESCO di San Marino.
E’ stata svolta solo una prima elaborazione delle misure effettuate (sia in esterno sia su edifici), le quali comunque presentano risultati confortanti ed in linea con quanto atteso in base a dati di letteratura.
Gli effetti della componente verticale dell’input sismico
Nell’Eurocodice 8, così come nelle Norme Tecniche delle costruzioni, le componenti verticali del moto non sono tenute in opportuna considerazione nella progettazione antisismica, poiché vengono considerate unicamente come una frazione di quelle orizzontali.
Questo poiché si ritiene che le componenti verticali giochino un ruolo marginale nel danneggiamento delle strutture in caso di sisma. Tuttavia a seguito degli eventi sismici dell’Aquila (2009) e dell’Emilia (2012), si è visto come esse siano state maggiori di quelle comunemente stimate ed abbiano purtroppo contribuito in modo importante al danneggiamento degli edifici situati nella zona epicentrale. In questo lavoro, che ha visto anche la realizzazione di un articolo sottomesso ad Agosto 2017 al Bollettino di Geogisica Teorica e Applicata (BGTA), sono state prese come riferimento le sismo stratigrafie di alcune località italiane per poter valutare l’effetto della componente verticale del moto di input, normalmente trascurata nelle comuni analisi di risposta sismica locale.
In tutte le località si è considerato un modello del terreno monodimensionale (a strati piani e paralleli).
Confrontando analisi di risposta sismica locale effettuate usando il solo input orizzontale con analisi effettuate con componente orizzontale e verticale del moto, è stato possibile evidenziare come nella componente orizzontale degli spettri di risposta di output vi siano importanti differenze a seconda che sia usato o meno il moto di input verticale, soprattutto nelle località dove il substrato sismico è più profondo
Microzonazione sismica di livello 2 del comune di Montecatini Terme (PT)
Al fine di realizzare il 2° livello della Micrzonazione sismica del comune di Montecatini Terme sono stati presi come riferimento gli “Abachi litostratigrafici per studi di microzonazione sismica di livello 2” realizzati dal Dipartimento di Scienze Fisiche, della Terra e dell’Ambiente e la Regione Toscana
A partire dalla campagna di misure di sismica attiva e passiva condotta nel settembre 2015 ed alle successive elaborazioni, erano state stimate le velocità delle onde S (Vs) delle diverse formazioni geologiche affioranti nell'area del comune di Montecatini Terme, sono stati costruiti profili di Vs e si è determinata la profondità del substrato sismico e le sue variazioni laterali.
Tutte le misure effettuate e la loro elaborazione sono state fondamentali per la realizzazione di un modello geologico sopportato anche da dati di letteratura e informazioni pregresse, che ha consentito una migliore definizione delle Microzone Omogenee in Prospettiva Sismica (MOPS). Inoltre attraverso gli abachi della Regione Toscana per la Microzonazione Sismica di livello 2, è stata costruita una carta in cui, per tutta l’area del comune di Montecatini Terme, sono stati definiti i fattori di amplificazione (FA) attesi in casi di evento sismico.
ricostruzione post-terremoto
Nel settembre/ottobre 2016, in seguito al sisma del 24 agosto 2016, era stata condotta una campagna di misure sismiche (attive e passive) nell’area del comune di Montegallo (AP).
La mia attività, di concerto con altri ricercatori del Dipartimento di Scienze Fisiche, della Terra e dell’Ambiente dell’Università di Siena, si è concentrata inizialmente sull’inserimento in una banca dati georeferenziata di tutte le indagini geofisiche realizzate e sulla loro preliminare interpretazione.
L’interpretazione geologica delle misure eseguite, in stretta collaborazione con i geologi che avevano eseguito un dettagliato rilevamento geologico dell’area, ha reso possibile la realizzazione di una carta geologica dettagliata dell’area di Montegallo, a partire dalla quale sono state realizzate sezioni geologiche passanti per tutti i centri abitati del comune e sono state definite Microzone Omogenee in Prospettiva Sismica (MOPS).
Il mio lavoro è consistito in questa fase nella stima della risposta sismica locale monodimensionale utilizzando le colonne stratigrafiche relative a ciascuna MOPS, per la definizione di valori di fattori di amplificazione per ciascuna di esse. Così i valori di FA così ottenuti andranno poi a supporto del livello 2 di Microzonazione sismica.
Trattandosi però di un territorio morfologicamente assai complesso è stato anche eseguito uno studio di risposta sismica locale bidimensionale, basandosi sulle sezioni geologiche realizzate. Da questa analisi sono stati ottenuti sia spettri di risposta, sia FA in diversi punti di controllo ubicato all’interno dell’aree abitate del comune di Montegallo.
Questo lavoro, concluso soltanto in parte, consentirà da una parte una stima relativamente precisa della pericolosità sismica locale, attraverso l’identificazione degli effetti di sito, dall’altra consente di affinare le metodologie e le procedure per la Microzonazione Sismica.
Partecipazione a convegni e congressi:
• GNGTS 35° convegno nazionale (Lecce, 22-24 novembre 2016).
• 35° General Assembly of the European Seismological Commission (Trieste, 4-10 settembre 2016). • GNGTS 34° convegno nazionale (Trieste, 17-19 novembre 2015).
• GNGTS, 33° convegno nazionale (Bologna, 25-27 novembre 2014).
Atti di convegni e congressi:
• Guerra G., Forcellini D., Xhixha E., Peruzzi G., Albarello D., Lo E., Mayer D.E., Trinh S., Zheng E. and Kuester F. (2017) 3D numerical simulations of the San Marino third tower (Montale) based on 3D mapping, Proc. 2017 Compdyn conference https://2017.compdyn.org/proceedings/pdf/17026.pdf
• Peruzzi G., Forcellini D., Venturini K., Albarello D. (2017) Ambient vibrations applied to San Marino historical building survey. Proceedings of the 16th World Conference on Earthquake Engineering (paper N° 0985).
• Peruzzi G., Albarello D. (2016) Limiti di applicabilità degli abachi e della analisi 1D: alcuni risultati di modellazione numerica. Atti del 35° convegno nazionale del GNGTS (Tema 2, Sessione 2.2).
• Peruzzi G., Albarello D. (2016) Stimatori approssimati della componente verticale del moto nelle valutazioni di risposta sismica locale. Atti del 35° convegno nazionale del GNGTS (Tema 2, Sessione 2.2). • Peruzzi G., Albarello D., Grimaz S., Malisan P. (2016) The role of vertical ground motion components in the epicentral area of a buried source: insights from numerical modelling. Proceedings of the 35th
General Assembly of the European Seismological Commission (Session 9).
• Gruppo di lavoro “Abachi” (2015) Applicabilità degli abachi per la microzonazione sismica
di livello 2. Atti del 34° convegno nazionale del GNGTS (Tema 2, Sessione 2.2).
• Paolucci E., Albarello D., Lunedei E., Peruzzi G., Papasidero M. P., Francescone M., Pieruccini P. (2015) Dynamic characterization and deconvolution analysis for some sites of the Italian accelerometric network (RAN). Atti del 34° convegno nazionale del GNGTS (Tema 2, Sessione 2.2).
• Peruzzi G., Albarello D., Baglione M., D'Intinosante V., Fabbroni P., Pileggi D. (2015) Abachi regionali per amplificazioni litostratigrafiche finalizzati alla redazione di carte di microzonazione sismica di livello 2. Atti del 34° convegno nazionale del GNGTS (Tema 2, Sessione 2.2).
• Paolucci E., Albarello D., Lunedei E., Peruzzi G., Papasidero M. P., Francescone M. (2015) Dynamic characterization and deconvolution analysis for some sites of the Italian accelerometric network (RAN). Proceedings of the International Conference: Georisks in the Mediterrean and their mitigation (University of Malta).
• Lunedei E., Peruzzi G., Albarello D. (2015) Ambient vibrations in seismic studying the UNESCO cultural heritage site of San Gimignano (Italy). Proceedings of the International Conference: Georisks in the Mediterrean and their mitigation (University of Malta).
• Lunedei E., Peruzzi G., Albarello D. (2014) Caratterizzazione dinamica delle torri di San Gimignano (Siena) mediante misure di vibrazioni ambientali. Atti del 33° convegno nazionale del GNGTS (Tema 2, Sessione 2.3).
Pubblicazioni:
• Peruzzi G., Albarello D.(2017) The possible effect of vertical component of input motion on the
horizontal seismic response at the surface of a 1D sedimentary layered structure. Boll. Geofis. Teor. Appl, 58, 4, 343-352, DOI 10.4430/bgta0210.
• Peruzzi G., Albarello D., Coltorti M., Lunedei E., Pieruccini P. (2017) Seismic Hazard Assessment at Municipality Scale: UNESCO Cultural Heritage Site of San Gimignano, Italy. Published on line on J. Perform. Constr. Facil., DOI: http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0001033.
• Peruzzi G., Forcellini D., Venturini K., Albarello D. (2016) Seismic Characterization of Historical Buildings in San Marino Republic From Ambient Vibration Monitoring. International Journal of New Technology and Research (IJNTR), Volume-2, Issue-7, July 2016 Pages 95-102.
• Albarello D., Francescone M., Lunedei E., Paolucci E., Papasidero M. P., Peruzzi G., Pieruccini P. (2016) Seismic characterization and reconstruction of reference ground motion at accelerometric sites of the Italian accelerometric network (RAN). Nat Hazards, DOI 10.1007/s11069-016-2310-4.
• Peruzzi G., Albarello D., Baglione M., D'Intinosante V., Fabbroni P., Pileggi D. (2016) Assessing 1D litho-stratigraphical amplification factor for microzoning studies in Italy. Bulletin of Earthquake Engineering, 14, 373-389, DOI 10.1007/s10518-015-9841-z. Disponibile su
