GNGTS – Atti del 18° Convegno Nazionale / 13.10

V. D’Amico (1), D. Albarello (1) e M. Mucciarelli (2)

(1) Dipartimento di Scienze della Terra, Università degli Studi di Siena (2) Dipartimento di Strutture, Geotecnica e Geologia Applicata, Università degli Studi della Basilicata, Potenza

INDIVIDUAZIONE DI EFFETTI DI SITO RILEVANTI AI FINI DELLA PERICOLOSITÀ SISMICA LOCALE: UNA APPLICAZIONE IN GARFAGNANA E LUNIGIANA

Riassunto. È stato sviluppato un approccio innovativo volto all’individuazione di effetti di sito rilevanti in termini di pericolosità sismica locale, attraverso l’impiego di dati macrosismici. La metodologia proposta richiede, per ogni località esaminata, due stime di pericolosità ottenute a partire da due differenti basi di dati: la prima, ricavata dai soli dati epicentrali ridotti al sito attraverso una legge di attenuazione di tipo probabilistico e, la seconda, costruita integrando tali effetti “calcolati” con i risentimenti documentati nel medesimo sito. Il confronto, per ogni località, tra le due stime di pericolosità così ottenute viene utilizzato per orientare l’individuazione dei siti potenzialmente soggetti a significativi fenomeni di amplificazione locale del moto sismico del suolo. Per tentare di validare la procedura, le indicazioni così ricavate su base macrosismica per l’area campione della Garfagnana e Lunigiana (Toscana nord occidentale) vengono confrontate con misurazioni della risposta sismica locale effettuate attraverso la tecnica di Nakamura.

DETECTION OF SITE EFFECTS SIGNIFICANT FOR LOCAL SEISMIC HAZARD: AN APPLICATION TO GARFAGNANA AND LUNIGIANA

Abstract. A new approach devoted to the individuation from macroseismic data of site effects able to significantly modify local seismic hazard levels has been developed. This methodology requires, for each locality, two evaluations of seismic hazard on the basis of two different data sets: the former, obtained by epicentral data attenuated at the site and, the latter, constructed by integrating such “calculated” effects with data concerning seismic effects actually observed at the same site. The comparison, for each locality, between these two hazard estimates is used to orientate the individuation of those sites where local amplifications of seismic ground motion could be significant. In order to validate such methodology, indications obtained by this approach in Garfagnana and Lunigiana (northwestern ) are compared with instrumental measurements of local seismic response performed through the Nakamura’s technique.

INTRODUZIONE

Lo studio dei fenomeni di amplificazione locale del moto sismico del suolo rappresenta un passo fondamentale verso la microzonazione sismica di un territorio finalizzata alla caratterizzazione della risposta di sito ed alla conseguente riduzione dei rischi indotti dai terremoti. Tra le numerose metodologie fino ad oggi sviluppate per la valutazione degli effetti locali, recentemente è stata proposta una nuova procedura (Gallipoli et al., 1998) che, attraverso l’impiego di dati macrosismici e strumentali, consente l’individuazione speditiva delle località potenzialmente esposte ad effetti di sito capaci di incidere in modo significativo sul livello di pericolosità locale. Il primo passo di tale approccio consiste nella stima della pericolosità, effettuata al sito mediante una metodologia statistica appositamente sviluppata per l’analisi di dati documentari, che utilizza le informazioni macrosismiche disponibili per le località in esame (Mucciarelli et al., 1992; Magri et al., 1994; Gallipoli et al., 1998). Questo metodo GNGTS – Atti del 18° Convegno Nazionale / 13.10

consente di sfruttare pienamente l’ingente quantità di fonti storiche relative ad informazioni sugli effetti prodotti dai terremoti del passato nelle località italiane, permettendo inoltre un trattamento formalmente corretto dei dati macrosismici caratterizzati da differenti livelli di incertezza e completezza. Per evidenziare l’eventuale occorrenza di effetti di sito, la pericolosità viene calcolata in ogni località utilizzando due differenti serie sismiche: la prima, costruita da soli dati epicentrali opportunamente “ridotti” al sito mediante una legge di attenuazione empirica e, la seconda, ottenuta integrando tali dati con gli effetti osservati nella località di interesse in occasione dei terremoti del passato. Assumendo infatti che i valori ottenuti dai soli dati attenuati siano rappresentativi degli effetti di propagazione mediamente attesi sul territorio italiano e che quelli ricavati considerando anche i risentimenti documentati tengano conto di eventuali effetti di sito verificatisi in passato, differenze significative tra le due stime, per la stessa località, possono essere interpretate in termini di effetti locali. In questo lavoro la metodologia proposta è stata applicata in Garfagnana e Lunigiana (Toscana settentrionale), che rappresenta una delle zone italiane sismicamente più attive. Negli ultimi due secoli, infatti, l’area è stata colpita da due disastrosi terremoti (intensità massima osservata pari al X grado della scala MCS), verificatisi al confine tra Garfagnana e Lunigiana l’11 aprile 1837 ed il 7 settembre 1920. Le caratteristiche geologiche e morfologiche locali rendono inoltre la regione studiata ideale ai fini di una valutazione di effetti di sito. Infatti, da un lato, la notevole eterogeneità della litologia superficiale e, dall’altro, la topografia particolarmente accidentata (caratterizzata da strette valli e ripidi pendii) potrebbero indurre risposte sismiche localmente molto variabili e rilevanti amplificazioni locali dello scuotimento sismico del terreno. Per verificare la validità delle indicazioni ottenute dall’analisi dei dati macrosismici, queste sono state confrontate con misure dirette della risposta sismica locale condotte secondo la tecnica dei rapporti spettrali H/V (Nakamura, 1989) in alcune delle località esaminate.

STIMA DELLA PERICOLOSITÀ AL SITO ED INDIVIDUAZIONE DI EFFETTI LOCALI

La pericolosità sismica è stata calcolata per ciascun capoluogo comunale dell’area investigata ed il valore risultante è stato attribuito all’intero territorio comunale. Tuttavia, per evidenziare come in realtà il livello di pericolosità possa differenziarsi all’interno di uno stesso ambito comunale, le stime sono state effettuate anche per alcune località minori per le quali erano disponibili risentimenti macrosismici. La pericolosità è stata valutata relativamente all’VIII grado di intensità MCS (valore di soglia per i danni strutturali agli edifici) per un intervallo di esposizione di 50 anni. I risultati ottenuti sono rappresentati mediante due mappe (Fig. 1) ottenute rispettivamente a partire dai soli dati epicentrali attenuati al sito e da questi ultimi integrati con i risentimenti documentati nello stesso sito. Per quanto riguarda i dati epicentrali è stato utilizzato il catalogo NT4.1 (Camassi e Stucchi, 1996), mentre i valori di intensità risentita nelle diverse località italiane sono stati estratti dall’archivio delle informazioni macrosismiche DOM4.1 (Monachesi e Stucchi, 1997). L’attenuazione al sito dei dati epicentrali è stata effettuata mediante la funzione probabilistica nella forma proposta da Magri et al. (1994), i cui parametri GNGTS – Atti del 18° Convegno Nazionale / 13.10

sono stati ricalcolati per il territorio italiano sulla base degli eventi in NT4.1 e dei risentimenti locali in DOM4.1.

PONTREMOLI -

ZERI

COMANO VILLAFRANCA IN LUN. LICCIANA SILLANO NARDI Vigneta GIUNCUGNANO PIAZZA SAN ROMANO IN GARF.Corfino CASOLA AL CASTIGLIONE SERCHIO IN LUN. DI GARF. VILLA Gorfigliano COLLEMANDINA Tenerano Ugliancaldo PIEVE CAMPORGIANO FOSCIANA FOSCIANDORA Vinca VA GL I CASTELNUOVO SOTTO DI GARF. CAREGGINE BARGA Effetti calcolati MOLAZZANA

GALLICANO VERGEMOLI

PONTREMOLI

FILATTIERA

ZERI BAGNONE

COMANO MULAZZO VILLAFRANCA IN LUN. LICCIANA SILLANO TRESANA NARDI FIVIZZANO Vigneta GIUNCUGNANO PIAZZA SAN ROMANO IN GARF.Corfino CASOLA AL SERCHIO CASTIGLIONE AULLA IN LUN. DI GARF. VILLA Gorfigliano COLLEMANDINA Tenerano Ugliancaldo PIEVE FOSDINOVO CAMPORGIANO FOSCIANA MINUCCIANO FOSCIANDORA Vinca VA GL I CASTELNUOVO SOTTO DI GARF. CAREGGINE BARGA MOLAZZANA Effetti calcolati e documentati GALLICANO VERGEMOLI

Fig. 1 - Mappe di pericolosità per l’intensità VIII MCS per un intervallo di esposizione ∆T di 50 anni. La figura in alto riporta i livelli di pericolosità ottenuti dai soli dati epicentrali attenuati al sito; in basso sono mostrati i valori ricavati integrando effetti calcolati ed osservati. I cerchi indicano le località minori per le quali è stata calcolata la pericolosità.

Osservando la Fig. 1 appare evidente che i valori di pericolosità calcolati dai soli effetti attenuati mostrano un andamento piuttosto regolare (si veda, nella mappa in alto, la graduale diminuzione di pericolosità allontanandosi dai comuni di Minucciano e , area epicentrale dei due terremoti del 1837 e del 1920). Al contrario, la mappa in basso, ottenuta tenendo conto dei risentimenti documentati nei diversi siti, appare assai più eterogenea. Un simile risultato, rappresentativo dei differenti livelli di danneggiamento osservati nelle località dell’area durante i terremoti del passato, potrebbe essere attribuito all’occorrenza di effetti di sito indotti dall’elevata variabilità delle condizioni geologiche e topografiche locali. Una GNGTS – Atti del 18° Convegno Nazionale / 13.10

valutazione preliminare di tali effetti è stata quindi tentata confrontando, per ogni località, i valori di pericolosità ottenuti tenendo conto degli effetti osservati con quelli ricavati dai soli dati attenuati: differenze positive tra le due stime indicherebbero la possibile presenza di significative amplificazioni locali del moto sismico del suolo, mentre differenze negative testimonierebbero l’assenza di simili effetti. Le indicazioni in tal modo ottenute a partire da dati macrosismici sono state messe a confronto con misure della risposta sismica effettuate mediante la tecnica proposta da Nakamura (1989) in alcune delle località sospettate della presenza di effetti di sito (Tab. 1). In base a tale metodo, la funzione di trasferimento viene stimata attraverso il rapporto spettrale medio tra la componente orizzontale H e verticale V del microtremore (rumore sismico ambientale) registrato in una singola stazione a tre componenti.

Tab. 1 - Località all’interno dell’area investigata selezionate per la valutazione strumentale della risposta sismica mediante la tecnica di Nakamura. Per ciascuna località sono riportati: il numero dei risentimenti macrosismici presenti in DOM4.1 (N. Ris); il valore di pericolosità (in punti percentuali) ottenuto dai soli dati epicentrali attenuati (Patt) e da questi ultimi integrati con i risentimenti documentati (Patt+doc); la differenza ∆P (in punti percentuali), ottenuta sottraendo ai valori di Patt+doc quelli di Patt.

LOCALITA’ N. Ris.Patt Patt+doc ∆P Gallicano 12 29 15 -14 Castelnuovo di Garfagnana 21 33 10 -23 Castiglione di Garfagnana 3 36 58 22 Villa Collemandina 2 37 57 20 Piazza al Serchio 6 51 60 9 Minucciano 3 6143 -18 Casola in Lunigiana 3 6163 2 Ugliancaldo (Casola in Lun.) 2 61 63 2 Vigneta (Casola in Lun.) 2 61 63 2 Fivizzano 26 52 52 0 Aulla 10 35 58 23 Bagnone 18 35 56 21 Filattiera 4 3463 29

È stata adottata questa tecnica in quanto essa consente una valutazione speditiva della funzione di trasferimento, non essendo richiesta alcuna conoscenza riguardo alle proprietà meccaniche e geometriche del terreno al di sotto del sito indagato. Inoltre, trattandosi di un metodo non invasivo la cui applicabilità viene non solo non compromessa ma addirittura favorita in zone caratterizzate da elevati livelli di rumore antropico (Mucciarelli, 1998), tale tecnica risulta particolarmente adatta per l’impiego all’interno delle aree urbane. Le registrazioni di microtremori sono state effettuate nei centri storici delle località selezionate per poter consentire un confronto diretto tra i risultati strumentali e le indicazioni ottenute su base macrosismica. L’acquisizione delle misure e la loro successiva elaborazione in situ è stata effettuata secondo la procedura descritta da Mucciarelli e Monachesi (1998). I rapporti spettrali H/V ottenuti sono stati poi analizzati mediante una metodologia statistica proposta da Albarello (1999) per escludere l’eventuale presenza di massimi fittizi delle funzioni di trasferimento indotti da rumore numerico in assenza di segnale sismico. Quindi, mediante la statistica del t di Student (p. es. Davis, 1986), è stato calcolato l’intervallo di confidenza al 95% intorno al valore medio dei rapporti spettrali H/V al fine di individuare effetti di GNGTS – Atti del 18° Convegno Nazionale / 13.10

amplificazione significativi. Come soglia minima di interesse per questi ultimi è stato scelto il valore 2 associabile agli effetti di superficie libera per le onde SH. L’analisi delle funzioni di trasferimento ottenute è stata effettuata prestando particolare attenzione all’individuazione di eventuali amplificazioni significative all’interno dell’intervallo di frequenze di interesse ingegneristico. Per quanto riguarda l’area investigata, data la tipologia edilizia prevalente (costruzioni in muratura o pietra a due o tre piani), le frequenze di maggiore interesse per i danni agli edifici, calcolate attraverso formule empiriche proposte nell’Eurocodice 8, risultano comprese tra 2 e 7 Hz. I risultati delle misure H/V effettuate nelle tredici località selezionate (Tab. 1) sono riportati in Fig. 2. Il confronto tra le indicazioni ricavate a partire dalle stime di pericolosità e le funzioni di trasferimento evidenzia in generale un buon accordo tra risultati macrosismici e strumentali. In particolare, riguardo alle sette località caratterizzate da differenze tra i due valori di pericolosità negative o piccole (Tab. 1) le stime strumentali confermano l’assenza di significative amplificazioni locali suggerita su base macrosismica: le funzioni di trasferimento risultano infatti piatte, ovvero prive di massimi dei rapporti spettrali significativamente superiori a 2 (si vedano i grafici in Fig. 2a,b,f,g,h,i,j). L’accordo tra indicazioni macrosismiche e stime strumentali è presente anche in quattro delle sei località dove il confronto tra le due stime di pericolosità (Tab. 1) suggerisce la presenza di significative amplificazioni dello scuotimento sismico (si vedano i grafici in Fig. 2c,e,k,l). In due località, invece, l’amplificazione prevista su base macrosismica (Tab. 1) non viene confermata dalla funzione di trasferimento che risulta piatta nell’intervallo di frequenze di interesse ingegneristico (Fig. 2d,m). A questo proposito, diverse possono essere le cause di tale disaccordo. Oltre infatti ad una possibile elevata vulnerabilità del patrimonio edilizio locale, anche effetti di sorgente o di propagazione potrebbero aver provocato, in occasione di qualche terremoto risentito in tali località, danneggiamenti superiori a quelli attesi sulla base della sola distanza epicentrale.

ANALISI STATISTICA DEI RISULTATI

Per verificare l’esistenza di una correlazione significativa tra indicazioni macrosismiche e stime strumentali, i risultati ottenuti sono stati analizzati statisticamente. Trattandosi di dati discontinui nominali (presenza/assenza di amplificazione) e di un campione piccolo (tredici siti esaminati), è stato adottato un test non parametrico, in particolare il test di probabilità esatto di Fisher (si veda ad esempio Siegel e Castellan, 1992). La probabilità di Fisher, insieme al coefficiente di correlazione Phi, è stata calcolata assumendo diversi valori di soglia per le differenze tra le due stime di pericolosità. In tal modo è possibile identificare la soglia statisticamente più efficace, ovvero quella in corrispondenza della quale si ottiene la massima correlazione tra indicazioni macrosismiche e stime strumentali. I risultati di tale analisi, riportati in Tab. 2, evidenziano che la migliore correlazione (coefficiente Phi = 0.72) si ottiene per una soglia pari a 5, ovvero nel caso si assuma che tutti i siti caratterizzati da differenze tra le due stime di pericolosità maggiori o uguali a 5 punti percentuali siano esposti a possibili amplificazioni significative del moto sismico del suolo; la stessa correlazione risulta significativa, ovvero la probabilità di ottenere per caso i risultati osservati (probabilità di Fisher) è inferiore a 0.05. GNGTS – Atti del 18° Convegno Nazionale / 13.10

a) b) Castelnuovo di c) Castiglione di

10 10 10 9 9 9 8 8 8 7 7 7 6 6 6 5 5 5 H/V H/V 4 4 H/V 4 3 3 3 2 2 2 1 1 1 0 0 0 0.1 1 10 100 0.1 1 10 100 0.1 1 10 100 Frequenza (Hz) Frequenza (Hz) Frequenza (Hz)

d) Villa Collemandina e) Piazza al Serchio f) Minucciano 10 10 10 9 9 9 8 8 8 7 7 7 6 6 6 5 5 5 H/V H/V 4 H/V 4 4 3 3 3 2 2 2 1 1 1 0 0 0 0.11101000.1 1 10 100 0.1110100 Frequenza (Hz) Frequenza (Hz) Frequenza (Hz)

g) Casola in Lunigiana h) Ugliancaldo i) Vigneta 10 10 10 9 9 9 8 8 8 7 7 7 6 6 6 5 5 5 H/V H/V 4 4 H/V 4 3 3 3 2 2 2 1 1 1 0 0 0 0.1 1 10 100 0.1 1 10 100 0.1 1 10 100 Frequenza (Hz) Frequenza (Hz) Frequenza (Hz)

j) Fivizzano k) Aulla l) Bagnone 10 10 10 9 9 9 8 8 8 7 7 7 6 6 6 5 5 5 H/V H/V 4 4 H/V 4 3 3 3 2 2 2 1 1 1 0 0 0 0.1 1 10 100 0.1 1 10 100 0.1110100 Frequenza (Hz) Frequenza (Hz) Frequenza (Hz)

m) 10 9 8 7 6 5

H/V 4 3 2 1 0 0.1 1 10 100 Frequenza (Hz)

Fig. 2 - Funzioni di trasferimento dedotte dalle misure H/V effettuate nelle 13 località selezionate (Tab. 1). I simboli bianchi e le linee tratteggiate indicano valori dei rapporti spettrali fittizi, probabilmente effetto della presenza di bassi valori dei rapporti segnale/rumore. Le linee nere sottili individuano l’intervallo di confidenza al 95% intorno ai valori medi di H/V. Sono rappresentati mediante quadrati grigi i rapporti spettrali indicativi di un livello di amplificazione ritenuto significativo (> 2). Il rettangolo tratteggiato evidenzia l’intervallo di frequenze di interesse ingegneristico.

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Tab. 2 - Valori del coefficiente di correlazione Phi e della probabilità esatta di Fisher calcolati per diversi valori di soglia (in punti percentuali) per le differenze tra le due stime di pericolosità ottenute per ciascuna località esaminata. Su sfondo grigio è evidenziato il caso in cui la correlazione tra le indicazioni macrosismiche e le misure strumentali risulta massima e statisticamente significativa.

Soglia diff.(≥) Coeff. Phi Prob. Fisher -15 0.28 0.46 -10 0.37 0.29 -5 0.37 0.29 0 0.37 0.29 5 0.72 0.02 10 0.50 0.11 15 0.50 0.11

Seguendo un approccio Bayesiano (Rhoades e Evison, 1979) è stata inoltre valutata la capacità del metodo macrosismico di fornire indicazioni corrette in relazione alla possibile occorrenza di effetti di sito, sia nel caso si sospetti la presenza di amplificazioni significative che l’assenza delle stesse. Come nel test precedente, per diverse soglie (valori di differenze tra stime di pericolosità oltre i quali sono attese significative amplificazioni locali dello scuotimento sismico del suolo), sono state calcolate tre differenti probabilità (Tab. 3): P corretta = probabilità che le indicazioni macrosismiche siano corrette, ovvero che un’amplificazione prevista su base macrosismica sia confermata dalle misure strumentali; P falsa = probabilità che la stessa previsione non sia confermata; P mancata = probabilità che un’amplificazione significativa presente nelle misure strumentali non venga evidenziata su base macrosismica.

Tab. 3 - Probabilità che le indicazioni macrosismiche siano corrette (P corretta), false (P falsa) o “mancate” (P mancata), assumendo differenti valori di soglia (in punti percentuali) per le differenze tra le due stime di pericolosità ottenute per ogni sito esaminato. Le due Tabb. a) e b) si riferiscono rispettivamente al caso in cui, partendo dai dati macrosismici, si sospetti la presenza o l’assenza di amplificazioni significative.

a) Presenza di amplificazione

Soglia diff.(≥) P corretta P falsa P mancata -15 0.38 0.62 0.17 -10 0.42 0.58 0.17 -5 0.42 0.58 0.17 0 0.42 0.58 0.17 5 0.63 0.37 0.17 10 0.57 0.43 0.33 15 0.57 0.43 0.33

b) Assenza di amplificazione

Soglia diff.(<) P corretta P falsa P mancata -15 0.75 0.25 0.73 -10 0.80 0.20 0.64 -5 0.80 0.20 0.64 0 0.80 0.20 0.64 5 0.89 0.11 0.27 10 0.80 0.20 0.27 15 0.80 0.20 0.27

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Come nel test precedente, i risultati migliori si ottengono, in ambedue i casi (presenza ed assenza di amplificazione), adottando una soglia per le differenze tra le due stime di pericolosità pari a 5 punti percentuali. Nel caso di sospetta presenza di amplificazione (Tab. 3a) è importante sottolineare che la probabilità che un’amplificazione significativa non sia segnalata su base macrosismica risulta molto bassa.

CONCLUSIONI

È stata presentata una procedura innovativa finalizzata all’individuazione speditiva, a partire da dati macrosismici, di effetti di sito capaci di incidere significativamente sul livello di pericolosità sismica locale atteso sulla base dei soli effetti di propagazione. L’analisi dei risultati ottenuti per l’area della Garfagnana e Lunigiana ha evidenziato che le indicazioni ricavate dai dati macrosismici riguardo all’occorrenza di effetti di sito sono generalmente in accordo con le stime strumentali della risposta sismica e che tale accordo risulta statisticamente significativo. In particolare, è interessante sottolineare che, relativamente ai tredici siti esaminati, l’approccio macrosismico sembra fornire indicazioni cautelative: in nessuno dei casi considerati, infatti, le funzioni di trasferimento hanno evidenziato la presenza di amplificazioni significative laddove queste non erano state “previste” a partire dal confronto tra le due stime di pericolosità. Tali risultati sembrano quindi suggerire l’efficacia della procedura sviluppata per l’individuazione di effetti di sito da dati macrosismici. Dal momento che il metodo proposto non richiede alcuna caratterizzazione geologica e geotecnica del sito in esame, esso potrebbe essere estremamente utile qualora si intenda individuare in modo speditivo le località dove può risultare più opportuno ed urgente effettuare indagini strumentali più approfondite.

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