RICERCA ITALIANA     

PERICOLOSITA' SISMICA INDOTTA: ANALISI, MODELLAZIONE E SCENARI PREVISIONALI DI FRANE INNESCATE DA TERREMOTI

Università degli Studi di Roma "La Sapienza"

Abstract

I recenti eventi sismici del Sud-Est asiatico hanno dimostrato come il danneggiamento provocato dai cosiddetti "effetti collaterali" possa superare, a volte anche in notevole misura, le perdite economiche e sociali direttamente connesse con lo scuotimento sismico. Tra le categorie di effetti indotti dal rilascio di energia sismica, quella delle frane appare una delle più significative in termini di pericolosità e, di conseguenza, di rischio connesso con la presenza di elementi esposti ed il loro grado di vulnerabilità. Pertanto, qualunque approccio completo, volto alla valutazione della pericolosità sismica di una determinata area, deve necessariamente comprendere la componente pericolosità associata con l'innesco o la riattivazione di frane sismoindotte. Al contempo, corpi di frana preesistenti alla scossa sismica, pur non giungendo a condizioni di rottura s.s. possono essere a loro volta elementi capaci di indurre significativa amplificazione delle onde sismiche e, quindi, modificare lo scuotimento sismico in modo tale da provocare danni all'ambiente costruito.
In accordo con quanto premesso, l'obiettivo primario del presente programma di ricerca è la formulazione di scenari di pericolosità e di conseguente rischio, derivanti sia dalla mobilitazione di frane a seguito di sollecitazioni sismiche sia da significativi fenomeni di amplificazione nell'ambito di masse in frana.
A questo fine, gli studi saranno sviluppati in contesti geologici e geomorfologici rappresentativi di ampie zone della catena appenninica e per le quali i recenti terremoti dell'Umbria-Marche, del Molise e della Sicilia, attestano un significativo potenziale sismico.
In questo quadro, i contributi delle 4 Unità di Ricerca afferenti al progetto convergeranno nell'acquisizione di adeguati elementi conoscitivi relativi ai differenti campi di indagine e nella individuazione di criteri di verifica per:
1) la elaborazione di modelli di interazione sisma/versante in relazione ad analisi di singole case-history;
2) la formulazione di scenari di pericolosità e di rischio da frana sismoindotta mediante analisi a scala regionale;
3) sulla base dei risultati derivanti dalle analisi basate sugli approcci dei punti 1) e 2), l'implementazione di modelli di valutazione applicabili ad altri contesti geologici e la redazione di linee guida e procedure operative per la gestione e la mitigazione del rischio.

Per il conseguimento dei suddetti obiettivi, con specifico riferimento allo studio di singole case-history, la ricerca si articolerà nei seguenti livelli e fasi di indagine:
- elaborazione di modelli geologico-tecnici preliminari relativi a singoli casi di studio appositamente selezionati per la presente ricerca (Caramanico Terme-PE, Salcito-CB, Cerda-PA);
- indagini di laboratorio volte alla caratterizzazione del comportamento, in campo statico e dinamico, dei terreni coinvolti nelle frane sismoindotte o nelle aree in frana sede di possibili fenomeni di amplificazione dell'input sismico;
- indagini in sito geologico-tecniche per la determinazione delle geometrie, dei cinematismi, delle proprietà fisico-meccaniche in sito e delle condizioni al contorno delle aree in frana;
- analisi di risposta sismica locale con definizione delle geometrie dei corpi di frana e degli effetti amplificativi;
- elaborazione di modelli di riferimento di interazione sisma/versante da sottoporre a validazione, in base alle evidenze di sito, mediante modellazione numerica delle condizioni di amplificazione e dei meccanismi di frana.

Al contempo, in merito agli studi condotti su scala regionale, saranno svolte analisi di pericolosità sismica i cui risultati, incrociati con i parametri tratti dai modelli definitivi di interazione sisma/versante consentiranno, infine, l'elaborazione di scenari di rischio di frana sismoindotta per definite aree di ambiente costruito. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Gabriele SCARASCIA MUGNOZZA Università degli Studi di ROMA "La Sapienza"

Obiettivo del Programma di Ricerca

Obiettivo principale della ricerca è la formulazione di scenari di pericolosità e di rischio derivanti sia dalla mobilitazione di frane a seguito di terremoti sia da significativi fenomeni di amplificazione del segnale sismico nell'ambito di corpi di frana preesistenti.
In particolare, notevole interesse assume lo studio di frane indotte da terremoti in pendii costituiti da argille a struttura complessa, considerata la loro diffusione in vaste aree del territorio italiano, il loro coinvolgimento in terremoti di più o meno recente accadimento (Irpinia 1980; Umbria-Marche 1997; Molise 2002, Sicilia 2002) e l'incidenza sempre crescente di grandi opere sul territorio e la destinazione di nuove aree ad insediamenti civili ed industriali.
Al conseguimento dell'obiettivo concorreranno differenti canali di indagine che, pur se inseriti in un contesto multidisciplinare, procederanno in modo sincrono nel corso dell'attività di ricerca. Stabilito lo scopo ultimo del presente programma, ciascun canale di indagine consentirà di pervenire al raggiungimento di obiettivi intermedi o parziali che, ciò nondimeno, presentano aspetti di notevole interesse e ricadute applicative significative.
Gli obiettivi parziali, prefissati in sede di pianificazione della ricerca e che scandiscono le principali fasi attraverso le quali si svilupperà la ricerca, sono:
1. valutazione, mediante specifiche indagini di laboratorio, del comportamento monotono e ciclico di litotipi a prevalente componente argillosa e struttura complessa, quali le argille scagliose (Argille Varicolori Auct.), con particolare riferimento alla definizione delle caratteristiche di rigidezza e smorzamento ed alla valutazione dell'influenza dei caratteri meso-strutturali sui valori di deformazione di soglia lineare e volumetrica;
2. definizione delle proprietà dinamiche in sito per mezzo di indagini geofisiche di superficie ed in foro e confronto con le indicazioni tratte dalle prove di laboratorio sui medesimi litotipi argillosi a struttura complessa al fine di ricavare correlazioni;
3. riconoscimento e valutazione quantitativa delle influenze di particolari condizioni topografiche ovvero di discontinuità tettoniche sulla risposta sismica in aree di frana, mediante apposite registrazioni sismometriche in sito, sia in termini di analisi spettrale sia in termini di analisi delle forme d'onda e della relativa distribuzione di energia;
4. ricostruzione di meccanismi tipo e di modelli cinematici rappresentativi per frane sismoindotte in litotipi argillosi a struttura complessa in condizioni co-sismiche e post-sismiche;
5. implementazione di modelli costitutivi di comportamento non lineare dei terreni per analisi numeriche mediante codici di calcolo alle differenze finite, per una maggiore risoluzione simulativa degli effetti a grandi deformazioni;
6. formulazione di scenari di rischio da frana sismoindotta, per aree campione definite di concerto tra le unità di ricerca afferenti al progetto, attraverso metodologie sia deterministiche che probabilistiche di analisi mediante la valutazione degli stati di danno di strutture e infrastrutture presenti, e preventivamente censite, anche in relazione alle rispettive funzioni di vulnerabilità ed all'intensità dei fenomeni franosi attesi.
Per il conseguimento dei suddetti obiettivi, con riferimento al punto 1 le UU.OO. 1 e 2 svolgeranno rispettivamente indagini di laboratorio per definire il comportamento meccanico dei litotipi sia in campo statico, anche in riferimento all'influenza di fluidi di circolazione, sia in campo dinamico, a seguito di prove all'apparecchio di taglio semplice ciclico (DSDSS) su campioni appositamente prelevati.
Per il raggiungimento dell'obiettivo 2, la U.O. 1 procederà selezionando le tecniche geofisiche più appropriate per le indagini sui litotipi coinvolti nei fenomeni franosi prescelti ai fini della determinazione della loro geometria nonchè per la caratterizzazione delle proprietà di rigidezza a ridotti livelli di deformazione tramite prospezione sismica attiva.
Per il raggiungimento degli obiettivi di cui al punto 3 le UU.OO. 1 e 4 condurranno e/o implementeranno la messa in opera di array sismometrici temporanei per la registrazione di rumori ambientali o eventi sismici di bassa magnitudo per la valutazione della risposta sismica locale mediante analisi dei segnali nei domini del tempo e delle frequenze, applicando le tecniche dei rapporti spettrali tra componenti (HVSR) e/o dei rapporti rispetto ad un sito di riferimento.
Per il raggiungimento degli obiettivi di cui al punto 4, tutte le UU.OO. integreranno i risultati ottenuti dalle specifiche indagini di sito e laboratorio al fine di riportarle in un quadro descrittivo sintetico, qui definito modello di riferimento della interazione sisma/versante.
Per il raggiungimento degli obiettivi di cui al punto 5, le UU.OO 1 e 2 impiegheranno codici di calcolo alle differenze finite mono- e bi-dimensionali sia per l'interpretazione degli effetti sismici locali registrati, sia per la codifica di modelli costitutivi volti a perfezionare la modellazione del comportamento non lineare dei terreni in esame la cui importanza, nello specifico, si riferisce alla necessità di giustificare grandi deformazioni connesse alla sismoinduzione di frane.
Gli obiettivi relativi al punto 6 saranno perseguiti perlopiù dalla U.O. 3 che, sulla scorta dei fattori di criticità individuati dalle altre UU.OO. mediante le indagini a scala locale su specifiche case history, elaborerà un procedimento supportato da strumenti GIS per condurre analisi di suscettività a sismoinduzione di frane finalizzate alla descrizione di scenari di rischio. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La sismoinduzione di frane è storicamente documentata in occasione di terremoti antichi, quali il terremoto delle Calabrie del 1783 (Sarconi, 1784) ed il terremoto di Kanding-Luding (China) del 1786 (Dai et al., 2005), ed a seguito di terremoti più recenti che hanno indotto risentimenti in porzioni più o meno vaste di territorio, anche in relazione alla magnitudo dell'evento.
Anche in tempi più recenti, le frane hanno continuato ad essere tra gli effetti sismici collaterali che producono il maggior numero di danni socio-economici (Bird & Bommer, 2004). In molti casi, infatti, i danni diretti dovuti all'azione delle onde sismiche sono stati di gran lunga superati da quelli prodotti da fenomeni deformativi del suolo, e tra questi in particolare da frane, oltre a quelli indotti da tsunami, fenomeno peraltro assai raro nella penisola italiana. Emblematico è il caso di un terremoto occorso nelle Ande peruviane nel 1970 allorchè lo scuotimento sismico distrusse solo pochi villaggi di alcune centinaia di persone, ma innescò, lungo le pendici del Monte Huascaran, una rock avalanche di oltre 80 Mm3 che, ad una velocità di 240 km/h, raggiunse le pendici spazzando via città e villaggi per una distanza di svariate decine di km e provocò la morte di oltre 20.000 persone.
Le frane sismoindotte, oltre ai danni diretti alle abitazioni e alle popolazioni, provocano ingenti danni a infrastrutture e servizi, amplificando gli effetti negativi del fenomeno sismico e aggravando gli interventi di emergenza e ripristino. In questo senso gli organi preposti alle attività di protezione civile, come pure quelli deputati alla gestione e pianificazione del territorio, necessitano di strumenti in grado di prevedere, con anticipo rispetto all'evento, lo scenario di calamità franosa e le sue ripercussioni sull'ambiente antropizzato, ciò al fine sia di preparare idonei piani di assistenza alle popolazioni colpite, come pure di prevenire le conseguenze negative di tali effetti attraverso una corretta ed informata pianificazione territoriale. Sotto questo aspetto, la predisposizione di scenari di pericolosità e di rischio da frane sismoindotte costituisce uno degli strumenti, se non addirittura il principale strumento, per assolvere a questa importante funzione di previsione e prevenzione del rischio, in linea con quanto enunciato dall'art. 4 della Legge 225/96 sul sistema nazionale di protezione civile.
Nella letteratura scientifica come pure in molti progetti di carattere internazionale, si ritrovano molti esempi di scenari di scuotimento o di danno (tra i più recenti: Fäh et al., 2000; Dolce et al., 2003), in cui gli aspetti legati alla sismoinduzione di effetti deformativi del suolo (frane e liquefazione in primis) assumono un ruolo comprimario rispetto a quello principale dello scuotimento s. s. e alla resistenza delle costruzioni alle azioni sismiche.
Pochi lavori che hanno affrontato, invece, in maniera specifica la predisposizione di scenari di pericolosità da frane sismoindotte, tra questi si annoverano il lavoro pionieristico di Wieczorek et al. (1985) e, più recentemente, quello di Jibson et al. (2000). Al fine di valutare le aree più esposte all'hazard da frane, nonché le zone di criticità rispetto ad uno scenario sismico caratterizzato dall'innesco quasi simultaneo di numerosi fenomeni franosi, in letteratura sono stati proposti metodi per stime a scala regionale dell'hazard associato a frane sismo-indotte (Keefer & Wilson, 1989; Harp & Wilson, 1995). Un approccio proposto da Jibson et al. (1998) per individuare aree esposte all'innesco sismico di frane, combina dati topografici, geologici e geotecnici inseriti in un GIS con stime dello scuotimento atteso in relazione ad un evento scenario. Questo metodo è stato sperimentato anche da altri autori ed alcuni sviluppi sono stati tentati per una sua applicazione alla realizzazione di mappe di hazard a scala nazionale (Romeo, 2000), oppure per determinare il livello di resistenza (espresso dall'accelerazione critica) richiesto ai pendii di una data regione per mantenere entro un certo livello la probabilità di innesco sismico di frane in un definito intervallo di tempo (Del Gaudio et al., 2003; Del Gaudio & Wasowski, 2004a).
Un problema che si pone in generale nell'applicazione di questi metodi è la valutazione, per un evento di date caratteristiche, dello scuotimento atteso in corrispondenza di pendii suscettibili a movimenti franosi. Le relazioni di attenuazione riportate in letteratura sono state calibrate su dati accelerometrici che si riferiscono a siti con caratteristiche molto diverse da quelle di un pendio instabile e la disponibilità di osservazioni dirette sulla risposta di un pendio agli scuotimenti sismici è piuttosto scarsa sia perché, solitamente, stazioni di reti permanenti non vengono collocate in siti instabili, sia perché esperimenti di durata circoscritta, condotti mediante stazioni temporanee, non sempre riescono ad intercettare eventi significativi.
Le esperienze raccolte all'estero e in Italia indicano che le frane indotte da terremoti possono interessare, con modalità differenti, sia ammassi rocciosi sia terreni sabbiosi o argillosi (Rodriguez et al. 1999; Prestininzi & Romeo, 2000).
La raccolta e l'analisi di dati di franosità sismoindotta a scala globale hanno già permesso di stimare correlazioni tra occorrenza e tipologia di fenomeno franoso e caratteristiche del terremoto quali distanza epicentrale e magnitudo (Rodriguez et al., 1999), come anche di prevedere scenari di frane sismoindotte mediante approcci pseudodinamici (metodo di Newmark) applicati a scala territoriale. Il criterio guida di tali approcci è stato essenzialmente la raccolta di dati di franosità sismoindotta a scala globale e la loro sintesi grafica volta ad ottenere scenari di pericolosità.
Con riferimento ai meccanismi di simoinduzione di singoli eventi, la letteratura scientifica riporta un limitato numero di lavori che riguardano le frane indotte da terremoti in pendii naturali argillosi. Le esperienze all'estero si riferiscono soprattutto al terremoto dell'Alaska del 1964 (MS=8.5) che innescò le frane di Turnagain Heights (Seed & Wilson, 1967) e di Fourth Avenue (Seed, 1968), il cui meccanismo di rottura, inizialmente attribuito alla liquefazione di strati sabbiosi, è stato successivamente interpretato in termini di decadimento della resistenza non drenata delle argille (Stark & Contreras, 1998). Più recentemente si ricordano le frane in due pendii argillosi indotte dal terremoto di Saguenay, Canada (MS=5.9) del 1988 (Lefebvre et al., 1992); considerata la notevole distanza delle frane dall'epicentro del terremoto (circa 175 km), gli Autori sottolineano la rilevanza che possono avere avuto i fenomeni di amplificazione locale come fattore di innesco delle frane. Ancora, con particolare attenzione al panorama internazionale ed italiano, si possono citare i terremoti di Kobe del 1995 (Sassa et al., 1996), di Loma Prieta del 1989 (Keefer, 1998), dell'Irpinia del 1980 (Hutchinson & Del Prete, 1985; D'Elia et al., 1986, Martino & Scarascia Mugnozza, 2005, in stampa), dell'Umbria-Marche del 1997 (Bozzano et al., 2001), di El Salvador del 2001 (Evans & Bent, 2004), di Palermo del 2002 (Bonci et al., 2004) e del Molise del 2002 (Bozzano et al., 2004). Una tra le più significative indicazioni che emergono da tali studi è la distanza epicentrale degli eventi franosi, che spesso assume valori di molto superiori a quelli attesi in relazione alla magnitudo del terremoto.
La possibilità di effettuare attendibili ricostruzioni a posteriori della meccanica delle frane indotte da un terremoto dipende, tra gli altri, dalla adeguata conoscenza delle caratteristiche cicliche dei terreni in un vasto campo di valori della deformazione di taglio. L'entità delle deformazioni in gioco spesso richiede infatti la conoscenza delle caratteristiche di rigidezza e smorzamento in campo non lineare. Ciò è particolarmente vero per le argille a scaglie, per le quali lo stato delle conoscenze sperimentali è estremamente limitato (e.g. D'Elia, 1983; Olivares, 1996; Olivares & Silvestri, 2001) e nettamente insufficiente per disporre di un quadro organico sul comportamento sforzi-deformazioni di tali materiali in occasione di un evento sismico. Le indicazioni di letteratura suggeriscono che sia le caratteristiche di rigidezza e smorzamento sia le deformazioni di soglia (lineare e volumetrica) sono prevalentemente influenzate dai caratteri mesostrutturali di questi terreni piuttosto che dalle caratteristiche di plasticità del singolo frammento argilloso e che il comportamento non lineare si evidenzia già a valori medio-bassi della deformazione (Lanzo, 1993). La corretta conoscenza delle leggi sperimentali di decadimento della rigidezza e di incremento del fattore di smorzamento con la deformazione di taglio può avere peraltro significativi riflessi sul campo di accelerazioni che si verificano all'interno di un pendio, e quindi su eventuali fenomeni di amplificazione locale, strettamente dipendenti dalle caratteristiche dei materiali attraversati dalle onde sismiche.
Sempre con riferimento a meccanismi di sismoinduzione e ad effetti di amplificazione, è da sottolineare come spesso movimenti franosi, innescati o riattivati da terremoti, siano avvenuti in prossimità di importanti dislocazioni tettoniche o di elementi morfologici quali scarpate e terrazzi morfologici. In relazione a quest'ultimo punto, recenti studi condotti da alcuni tra i proponenti il presente progetto (Bianchi Fasani et al., 2004; Bonci et al., 2004; Martino & Scarascia Mugnozza, 2005, in stampa) hanno messo in risalto l'importanza di una dettagliata ricostruzione del modello geologico-tecnico di frane sismoindotte, con particolare riferimento sia alle geometrie ed ai cinematismi delle masse coinvolte sia a locali condizioni geologico-strutturali e topografiche predisponenti significative amplificazioni sismiche.
A questo riguardo, si registrano applicazioni di diverse tecniche di prospezione su differenti litotipi; nella maggioranza dei casi, questi studi hanno riguardato la definizione geometrica dell'evento franoso, della superficie di rottura, dei volumi coinvolti nell'evento stesso. Recentemente, l'approccio che si va affermando è quello dell'utilizzo integrato di varie tecniche di prospezione (Jongmans, 2000). In particolare, Cardarelli et al. (2004) hannno proposto un utilizzo integrato di tecniche geofisiche (Rix, 1988) per lo studio di eventi franosi occorsi in coincidenza di terremoti recenti ed impostati su coltri detritiche e su litotipi argillosi a struttura complessa.
A questo proposito, lo studio della risposta sismica locale in corrispondenza di masse di frana costituisce ad oggi una problematica di indubbio interesse scientifico, che può trovare ampio campo di applicazione sia nell'ambito della valutazione del rischio di frana che in quello delle indagini di microzonazione sismica volte alla riduzione del rischio sismico. Una modifica locale del moto del terreno, infatti, può essere la causa della attivazione cosismica (sismoinduzione) di una frana e, di conseguenza, costituire un fattore di incremento della pericolosità sismica indotta.
Nell'arco dell'ultimo ventennio sono state messe a punto diverse tecniche di misura ed elaborazione finalizzate alla valutazione della risposta sismica locale.
L'esperienza derivante da studi di risposta sismica locale, perlopiù finalizzati alla microzonazione, consente di ritenere particolarmente rilevanti, ai fini della sismoinduzione di frane, possibili amplificazioni del moto del terreno legate al contrasto di impedenza tra massa di frana e substrato (Borcherdt, 1994; Nakamura, 1989); effetti topografici legati a peculiari morfologie del corpo di frana quali terrazzi, scarpate ed orli di scarpate (Chavez-Garcia et al., 1997); fenomeni legati a moti intrappolati in zone di faglia o in più complesse strutture tettoniche (Li et al., 1996; Rovelli et al., 2002).
Una tecnica largamente utilizzata per facilità e velocità di applicazione è quella dei rapporti spettrali tra componente orizzontale e componente verticale del moto. Questa metodologia è stata inizialmente proposta da Nakamura (1989) per valutare l'amplificazione di un sito tramite misure di microtremori (rumore ambientale di origine naturale o antropica). Nel caso in cui siano disponibili registrazioni (accelerometriche o velocimetriche) di eventi sismici, il maggior problema nella stima della risposta di sito è la rimozione degli effetti dovuti alla sorgente e al percorso dell'onda. Il metodo di analisi più completo è attualmente quello proposto da Borcherdt (1994) che consiste nel confrontare gli spettri di Fourier delle registrazioni ottenute nel sito di interesse con quelli relativi alle registrazioni degli stessi eventi ottenute in una stazione di riferimento locale.
Le metodologie di analisi della risposta sismica locale sono state ad oggi scarsamente applicate sia nello studio dei meccanismi di frane sismoindotte sia nell'esame di problematiche inerenti agli effetti di amplificazione in corpi di frana.
Negli ultimi anni sperimentazioni a tale riguardo sono state condotte in Kyrgyzstan, su depositi di rock avalanche (Havenith et al, 2003).
In Italia sono stati recentemente presentati i primi risultati di un esperimento finanziato dalla UE per il monitoraggio accelerometrico dell'area di Caramanico Terme, caratterizzata da diffusi fenomeni franosi e soggetta a ricorrenti eventi sismici (Del Gaudio & Wasowski, 2004b). Inoltre, presso la località di Cavola (Emilia Romagna), è in corso il monitoraggio velocimetrico di una frana di cui sono note numerose riattivazioni co-sismiche (Bordoni et al., 2005).
Riguardo al caso di Caramanico Terme, i risultati raccolti finora non consentono ancora di trarre conclusioni di validità generale per diverse ragioni: a) perché la situazione geologica locale presenta una complessità che richiede l'acquisizioni di ulteriori dati per distinguere l'influenza dei diversi fattori (litologici e topografici) sugli effetti di amplificazione; b) perché attualmente non sono ancora disponibili registrazioni su una stazione che possa essere affidabilmente considerata come riferimento (cioè su terreno sufficientemente piano e rigido) per la stima delle amplificazioni di sito; c) per la limitata distribuzione azimutale degli eventi finora registrati, che rende difficoltoso discriminare tra effetti di sito ed effetti legati alla eventuale direzionalità delle sorgenti sismiche o a peculiarità del percorso di propagazione; d) perché la qualità dei dati disponibili sulle proprietà fisiche del sottosuolo è insufficiente per una attendibile modellazione numerica della risposta del sito agli scuotimenti sismici.
In conclusione, appare significativo il ruolo delle frane sismoindotte nella determinazione della pericolosità e del rischio sismico associato; di conseguenza, qualsiasi valutazione complessiva della pericolosità sismica non può prescindere da quella relativa alla pericolosità connessa con frane sismoindotte. A tal fine si ritengono di primaria importanza approfondimenti sui meccanismi di focalizzazione delle onde sismiche che, in relazione a specifiche condizioni di sito, sono capaci di indurre movimenti di versante.
Quanto sopra indicato costituisce la motivazione di fondo della presente proposta di ricerca. <<<