Antisismica. Microzonazione sismica, amplificazione locale e Vs30

Nell’ambito della prevenzione antisismica, la microzonazione sismica mira a prevedere la più probabile distribuzione degli effetti di un sisma in un’area urbana, e quindi a fornire agli operatori agenti sul territorio (geotecnici, strutturisti, architetti) informazioni finalizzate a mitigare i danni di un terremoto futuro.

La microzonazione sismica prevede la stima tanto della pericolosità che della vulnerabilità sismica dell’area: essa non può quindi prescindere da una valutazione della risposta sismica locale, ossia del modo in cui la struttura geologica della superficie terrestre governa l’effetto delle onde sismiche (leggi anche Antisismica e valori di scuotimento del suolo. Le ShakeMaps).
Gli effetti locali di amplificazione dell’ampiezza e di incremento della durata del moto sismico, tristemente noti quali effetti di sito, sono generalmente prerogative pregnanti delle cosiddette coperture di terreni superficiali che sono basate su un substrato roccioso.

Gli effetti di sito, gli eventi sismici recenti lo hanno dimostrato senza dubbio alcuno, hanno un ruolo “fondamentale” sul danneggiamento degli edifici durante i terremoti, soprattutto, ma non solo, in quelli di forte intensità.
Lo studio degli effetti di sito può essere condotto sia con l’analisi dei record di terremoti e del rumore sismico ambientale, quindi per via sperimentale, che a mezzo della modellazione della propagazione di onde sismiche con idonei modelli di sottosuolo, ricorrendo ai metodi numerici.
Detto studio si avvale dei contributi di diversa fonte, quali, partendo dal centro della Terra, la geofisica e la sismologia, la geotecnica, le scienze ingegneristiche (leggi anche Elementi essenziali di sismologia applicati all’Ingegneria).

Quali sono i fattori che possono provocare gli effetti in superficie di un sisma?
I danni di un terremoto e la geologia locale sono tra loro fortemente e mutuamente correlati.
In dettaglio, la morfologia, il regime in cui si trovano le acque sotterranee, la natura del sottosuolo e le proprietà dinamiche dei terreni rappresentano i principali attori di questo complesso fenomeno. Ne risulta che, al fine di condurre una valutazione circa il rischio sismico, lo studio del territorio rivesta, e debba ricevere, un’attenzione particolare (leggi anche Redazione della Relazione geologica: disponibili le linee guida e le metodologie di lavoro).
Ciò è vero in particolare nelle aree maggiormente critiche dal punto di vista della concentrazione umana, ma anche per quanto attiene alle attività industriali e, last but not least, a maggior ragione nel caso dell’Italia, il patrimonio artistico, tanto ricco quanto, purtroppo, vulnerabile (leggi anche Antisismica e Beni culturali. Linee guida, esempi e schema capitolato prestazionale).

Se ricordiamo l’equazione

Rischio Sismico = P x VE x Vu,

in cui la P, Pericolosità, rappresenta la probabilità che ha un sito di essere l’epicentro di un terremoto di magnitudo assegnata in un certo lasso temporale, VE, Valore Esposto, rappresenta il valore dell’insieme di persone e cose presenti nell’area e Vu, Vulnerabilità, indica la mancanza di resistenza delle strutture alle sollecitazioni sismiche, abbiamo identificato tutti gli “ingredienti” della “ricetta” difesa del suolo dal rischio sismico.

Con la Pericolosità Sismica, in accezione anglofona Seismic Hazard, si qualifica il livello di scuotimento probabile del suolo associato al verificarsi di un terremoto; per giungere a una sua quantificazione si può accedere agli elenchi e alle carte forniti dal Gruppo nazionale per la difesa dai terremoti (GNDT) e dal Servizio sismico nazionale (SSN). L’Italia è stata suddivisa in quattro categorie, con la Macrozonazione Sismica, che sono identificate da differenti valori di PGA (Peak Ground Acceleration), accelerazione di picco al suolo. Questa classificazione, se non valuta opportunamente gli effetti di amplificazione legati al passaggio delle onde sismiche nella copertura sedimentaria superficiale, si è dimostrata poco adatta alla corretta stima di alcune situazioni locali che, per caratteristiche intrinseche, arriva a costituire livelli di pericolosità sismica tra loro molto diversi.

La Microzonazione Sismica identifica lo studio rivolto ad una suddivisione del territorio, con un grado maggiore di dettaglio, in zone in cui la pericolosità sismica recepisce in maniera più rigorosa dal punto di vista geofisico le condizioni locali.
Lo studio della risposta di un sottosuolo all’input sismico, o Risposta Sismica Locale, rappresenta il cuore della Microzonazione Sismica; essa prevede, come è noto e logico, per definizione, un approccio multidisciplinare, in grado di ricevere ed includere i diversi contributi forniti dalla Sismologia e Geofisica, dalla Geotecnica e dall’Ingegneria strutturale. Il primo passo per la corretta stima della risposta sismica locale è costituito dalla definizione quantitativa dell’evento sismico atteso, o terremoto di progetto.
Per soddisfare questa esigenza si ricorre a uno o più accelerogrammi, assunti quali rappresentativi della sismicità dell’area oggetto d’indagine (leggi anche Ricerca combinazione accelerogrammi. Nuova versione 3.0 (beta)).

La rielaborazione di queste informazioni, facendo ricorso a codici di simulazione numerica, permette di “costruire” degli accelero grammi con caratteristiche spettrali che siano legate tanto a meccanismi focali, quanto alle intensità sismiche, ma deve anche considerare i percorsi di propagazione attivabili dalle unità sismogenetiche considerate.
Fatto ciò, deve essere quindi stimata l’influenza operata dalle proprietà meccaniche del terreno sui moti di natura sismica. Per questa determinazione risulta di notevole significatività lo studio delle velocità relative alle onde S (Vs) nel sottosuolo. Le modalità di risposta del terreno al terremoto presentano, come è noto, un carattere non-lineare: i moduli elastici, che caratterizzano le proprietà meccaniche del suolo, sono legati all’entità della deformazione che viene imposta.

L’analisi della risposta sismica di un suolo suddiviso in più strati va cioè svolto con il ricorso a procedure di tipo numerico che possano prendere in debito conto il comportamento non-lineare del terreno. Per una adeguata modellazione numerica, il reale comportamento del terreno viene simulato ricorrendo alle curve relative del modulo di rigidezza a taglio G e del fattore di smorzamento D (damping), in relazione alla deformazione a taglio g (%). La stima quantitativa, per via deterministica, della risposta sismica locale fa ricorso a diversi codici di calcolo, fondati diffusamente sul principio dell’analisi lineare equivalente.
Se le condizioni dell’area in oggetto si presentano semplici dal punto di vista geologico, ossia hanno una litologia assimilabile con accettabile approssimazione a una stratigrafia piana e parallela, si accetta il ricorso a un’analisi monodimensionale.

L’approccio bidimensionale risulta imprescindibile se abbiamo invece una condizione geologica complessa. Come abbiamo visto, quindi, la corretta stima della risposta sismica locale è di vitale rilievo per la adeguata previsione degli effetti di amplificazione sismica. Possiamo descrivere la risposta sismica locale ricorrendo a vari tipi di rappresentazione.
Tra questi, quella più semplice prevede la definizione dell’accelerogramma che identifica la possibile registrazione operata con un accelerometro superficiale al verificarsi di un terremoto simile a quello di riferimento. In funzione della variazione temporale dell’accelerazione sono altresì determinabili la velocità e lo spostamento superficiale.

Con le Norme tecniche per le costruzioni sono state confermate in buona sostanza le novità introdotte dall’Ordinanza 3274 del 20 marzo 2003 del Presidente del Consiglio dei Ministri nella normativa tecnica in materia di progettazione antisismica. Tra le novità di maggior rilievo afferenti le metodiche di progetto delle strutture è stato introdotto l’uso di coefficienti, per la stima dello spettro elastico di risposta, in funzione della classificazione dei suoli, per giungere alla definizione dell’azione sismica di progetto. La suddivisione operata prevede 5 categorie principali di suolo (dalla A alla E), oltre ad altre 2 (S1 ed S2) per le quali sono richiesti, per definire l’azione sismica da considerare nei progetti, degli ulteriori approfondimenti.

Le varie categorie di suolo sono caratterizzate sulla scorta del parametro Vs30.
L’attuale normativa antisismica italiana accoglie i principi dell’Eurocodice 8, che costituisce a sua volta una “eredità acritica” delle norme californiane.
Con questo doppio passaggio purtroppo il tenore sostanziale del parametro di riferimento è stato distorto.

Nello spirito originale delle norme americane si voleva infatti offrire una valutazione quantitativa low cost per la classificazione dei suoli in relazione agli effetti di sito, esplicitandone l’elevato grado di approssimazione. In queste norme, il parametro di riferimento era la velocità media delle onde S nei primi 100 piedi, che veniva scelto essendo ampiamente disponibile pur conoscendone la limitata correlazione con gli effetti di sito. Il Vs-100 piedi, nel sistema SI Vs30, purtroppo in Italia non è per nulla disponibile, ed inoltre la sua misura risulta pure di notevole costo.
Si giunge quindi ad una situazione paradossale, per cui, secondo le Norme tecniche per le costruzioni, gli effetti locali di sito vengono fatti dipendere da parametri poco affidabili ma costosi da stimare. Per giungere ad una stima degli effetti di sito che sia più aderente alla “fisica del problema”, si può ricorrere alle misure a stazione singola del tremore sismico. Queste ultime, per mezzo dei rapporti spettrali, possono condurre alla stima non mediata della frequenza fondamentale di risonanza del sottosuolo: questo parametro descrive gli effetti di sito in maniera ben più significativa di quanto faccia la determinazione del Vs30.

Le misure del microtremore a stazione singola, con una opportuna “inversione”, permettono la descrizione rapida tanto della stratigrafia superficiale che del Vs30, come sarà mostrato nel prossimo articolo, con riferimento particolare ad un edificio di culto.

Articolo di Pierpaolo Cicchiello, Ingegnere strutturista e collaboratore di Politecnico di Milano


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