RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Università degli Studi di ROMA "La Sapienza" - ROMA(RM)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Gabriele SCARASCIA MUGNOZZA

Descrizione

Le attività dell'Unità di Ricerca del CERI (Centro di Ricerca su Previsione, Prevenzione e Controllo dei Rischi Geologici - Università La Sapienza) si prefiggono come obiettivo la valutazione di effetti di sito a seguito di un evento sismico, che possono indurre deformazioni permanenti di versanti (sismoinduzione di frane) ovvero fenomeni amplificativi del moto del terreno dovuti alla presenza di preesistenti corpi di frana. Tali effetti possono essere in generale imputabili sia alla presenza di elementi di delimitazione a carattere tettonico al loro intorno (quali faglie, contatti stratigrafici) sia di elementi morfologici ad esse connessi (scarpate, terrazzi morfologici) al loro interno.
La suddetta problematica verrà affrontata incentrando l'attenzione sui due seguenti aspetti:
a) valutazione del ruolo che l'eventuale risposta di sito può assumere ai fini della sismoinduzione dei movimenti franosi;
b) valutazione degli effetti di risposta sismica locale in corrispondenza di aree in frana.
Relativamente al primo aspetto si pone in risalto la necessità di indagare su come effetti amplificativi del moto del terreno in aree di frana possano interagire con i meccanismi di innesco e con i cinematismi degli eventi franosi stessi. Questi studi possono contribuire a giustificare il manifestarsi di eventi franosi a distanze epicentrali notevolmente elevate se confrontate con correlazioni proposte in letteratura (Keefer, 1984; Rodriguez et al., 1999). Inoltre, riguardo all'attivazione di frane sismoindotte Hutchinson (1994) ha proposto una relazione tra tipologia dell'input sismico, in termini di contenuto spettrale, e coinvolgimento delle masse in frana. Secondo tale relazione, le dimensioni della massa di frana sono confrontabili con la semilunghezza d'onda del periodo dominante dell'input sismico; a loro volta, le lunghezze d'onda (ovvero l'entità del loro periodo) sono notoriamente crescenti con l'aumentare della distanza dall'epicentro.
Il secondo aspetto, invece, può contribuire alla comprensione delle distribuzioni di danneggiamento dovuto ad eventi sismici e, più in generale, alle metodologie di microzonazione sismica di aree di interesse.
In relazione agli obiettivi citati, il programma di ricerca di questa UR sarà articolato secondo le seguenti fasi:
I) fase conoscitiva: scelta dei siti di studio con elaborazione di modelli geologici di riferimento e definizione di modelli geologico-tecnici supportati da indagini di sito e laboratorio;
II) fase acquisitiva ed elaborativa: valutazione in sito di effetti di risposta sismica mediante misure sismometriche;
III) fase di verifica: validazione mediante approcci modellistici del modello geologico-tecnico ricostruito.

I) Il modello geologico di riferimento deriva da approfondite indagini geologiche e geologico-tecniche che devono essere volte all'individuazione di eventuali situazioni che possono produrre effetti amplificativi del moto del terreno (da cui segue la progettazione degli array velocimetrici di misura). Inoltre, l'analisi di sezioni cinematicamente bilanciate, ricostruite a valle di rilevi geologici e geomorfologici, costituisce un'imprescindibile base per la definizione degli elementi e dei fattori condizionanti l'innesco e la cinematica del fenomeno franoso.
L'Unità di Ricerca proponente già dispone di casi di studio in aree appenniniche centro-meridionali per le quali sono note storiche attivazioni e/o riattivazioni di eventi di frana sismoindotti. In particolare, di recente sono già stati oggetto di studi geologici e geologico-tecnici i casi relativi alle frane di Salcito (CB) e Cerda (PA) che si sono attivate rispettivamente a seguito dei terremoti del 6 Settembre 2002 e del 31 Ottobre 2002 (Bozzano et al., 2004; Bianchi Fasani et al., 2004; Bonci et al., 2004). Entrambe le frane, attivatesi a distanza di circa 40 km dall'epicentro, hanno coinvolto argille scagliose a struttura complessa ascrivibili alla Formazione delle Argille Varicolori, ed hanno interessato un'area superiore a 1km2. A tale riguardo, si fa presente che la complessità degli assetti geologico-strutturali che spesso contraddistinguono le aree franose in contesti orogenici, come anche la complessità geotecnica dei materiali coinvolti, rendono inattendibile una qualunque soluzione analitica che adotti ipotesi semplificative per i casi trattati.
La stessa Unità di Ricerca ha condotto diversi studi, alcuni dei quali tuttora in corso, volti alla valutazione della risposta sismica locale in piane alluvionali e dorsali carbonatiche dell'Appennino centrale, sperimentando tecniche integrate di analisi degli effetti indotti da sollecitazioni sismiche.
Per quanto attiene alla caratterizzazione statica e dinamica dei litotipi in esame, mediante indagini in sito e prove di laboratorio, essa costituisce il fondamento conoscitivo per la giustificazione della compatibilità dinamica e tenso-deformativa ai fini delle instabilità gravitative sismoindotte. Ciò rende possibile la costruzione di un modello geologico-tecnico per un'analisi discriminante sui possibili fattori e meccanismi di innesco dei fenomeni franosi in questione.

II) In relazione alle indagini geofisiche, previste nell'ambito del progetto proposto, si procederà come segue:
a) selezione delle tecniche geofisiche più appropriate per l'indagine sui litotipi coinvolti nei fenomeni franosi selezionati per la determinazione della loro geometria;
b) caratterizzazione delle proprietà di rigidezza a ridotti livelli di deformazione tramite prospezione sismica attiva.
c) analisi di registrazioni sismometriche di rumore ambientale e, possibilmente, di terremoti a bassa magnitudo.
Relativamente al punto a) particolare rilievo verrà dato all'utilizzo integrato di diverse metodologie geofisiche (con particolare riferimento a tecniche elettriche e sismiche) da selezionare in base alla problematica geologica da affrontare ed alle condizioni di sito in base al principio che l'utilizzo integrato dei risultati provenienti dall'applicazione di diverse tecniche geofisiche può fornire maggiori informazioni rispetto all'analisi separata delle informazioni ottenute dai singoli metodi (Telford et al., 1992).
Utilizzando la strumentazione in dotazione a questa unità di ricerca, saranno condotti rilievi di tomografia elettrica e polarizzazione indotta ad elevato grado di risoluzione per la definizione della geometria e della circolazione idrica soterranea.
Relativamente al punto b), ovvero per la caratterizzazione fisico-dinamica dei litotipi, verrà determinata la rigidezza a ridotta deformazione degli stessi, mediante la ricostruzione del campo di velocità delle onde sismiche (sia VP che VS).
In relazione alle condizoni geologico-tecniche, alla scala del fenomeno ed al grado di risoluzione desiderato, potranno essere impiegate in maniera integrata tecniche sismiche di diversa natura (sismica a rifrazione, sismica a riflessione, tomografia sismica, Surface wave testing SWT, tecniche sismiche in foro tipo Cross-Hole o Down-Hole).
Particolarmente promettente negli studi a larga scala appare l'utilizzo di tecniche tipo SWT (Park et al., 1999) ai fini della caratterizzazione di riferimento in termini di VS di estese masse di frana (Rix et al., 1988).
La determinazione per questi terreni dei rapporti caratteristici VP/VS, dei moduli di rigidezza a ridotti livelli di deformazione (Gmax, EYoung) e del modulo di Poisson in relazione alle modalità di deformazione in ambito elastico sarà in grado di evidenziare, correlata con le indagini di laboratorio in campo dinamico che saranno svolte nell'ambito dello stesso progetto di ricerca, l'influenza delle macrostrutture e dell'effetto scala sul comportamento di questi materiali ai fini della corretta definizione del loro comportamento geotecnico.
In relazione al punto c), gli elementi geologici e geologico-tecnici acquisiti nella fase conoscitiva, permettono di individuare eventuali situazioni predisponenti a fenomeni di amplificazione del moto del terreno che verranno esaminate, nella successiva fase acquisitiva ed eleborativa, con l'analisi di registrazioni sismometriche di rumore ambientale (e se possibile di terremoti di bassa magnitudo). In generale queste campagne di misura possono essere effettuate in due modalità. Se i siti da indagare sono numerosi e si ritiene poco probabile il verificarsi di eventi sismici durante la campagna, è preferibile utilizzare la tecnica dei rapporti spettrali H/V (Nakamura, 1989) che è di rapida esecuzione e non richiede registrazioni simultanee; in tal caso, l'unica accortezza richiesta è quella di effettuare in ogni sito almeno 3 campionamenti di rumore ambientale in diverse ore del giorno, in modo da eliminare eventuali disturbi. I dati raccolti vengono analizzati nel dominio delle frequenze, calcolando la trasformata di Fourier su una finestra mobile, al fine di ottenere gli spettri medi delle singole componenti per ogni stazione di misura e per ogni campionamento; da questi, vengono calcolati i rapporti H/V per ciascun campionamento e da essi un rapporto H/V medio per ciascuna stazione. Nel caso in cui il livello di attività sismica dell'area e la durata della campagna di misura portano a ritenere possibile la registrazione di eventi sismici di bassa magnitudo, occorre progettare delle stese sismiche; in tal caso è fondamentale la scelta di un appropriato sito di riferimento (Borchert, 1994) e l'uso del GPS in ciascuna stazione di misura per la temporizzazione assoluta degli eventi. I dati relativi ad eventi registrati simultaneamente dall'array di misura vengono elaborati nel dominio del tempo e delle frequenze per evidenziare eventuali comportamenti ricorrenti nelle storie temporali e per ottenere un rapporto spettrale medio tra le registrazioni ottenute in ciascuna stazione e le corrispondenti registrazioni ottenute nel sito di riferimento.

III) La modellazione, prevista nella fase di verifica, è volta alla validazione dei modelli geologici di riferimento elaborati, nonché all'intrepretazione degli effetti di sito eventualmente registrati.
Tale modellazione può avvalersi di analisi tenso-deformative mediante modelli numerici con l'utilizzo di codici di calcolo FDM (per i quali la risposta a grandi deformazioni, ground strongmotion, risulta più attendibile che nel caso di codici FEM).
A tale proposito, l'esperienza già maturata dal gruppo operativo proponente consente di riprodurre la casistica indagata in termini di modello cinematico e dinamico del terreno, recependo la parametrizzazione derivante da prove di laboratorio che tengano conto della variazione delle condizioni di stato del materiale oltre che dei processi di decadimento della rigidità dinamica e della rispettiva variazione in smorzamento.
Le problematiche inerenti all'adozione di soluzioni lineari-equivalenti, quali sono quelle offerte dagli attuali codici di calcolo commerciali in configurazione dinamica, è ulteriore oggetto di approfondimento nell'ambito della presente proposta progettuale.
Si prevede, a tale riguardo, l'implementazione di modelli di confronto tra analisi lineari, lineari-equivalenti e non lineari riferite, dapprima, a schemi unidimensionali ed, in seguito, a schemi bidimensionali. In ogni caso, si prevede l'utilizzo ed il confronto di diversi codici elaborativi ad oggi già disponibili presso le strutture proponenti.
Un tale approccio, vincolato e condizionato dai risultati di test dinamici con condizioni al contorno controllate, quali sono quelli di laboratorio, costituicono una piattaforma di sperimentazione originale ed interdisciplinare, volta ad indagare le problematiche della non linearità in terreni sottosposti a strong motion, ponendosi come obiettivo ultimo la messa a punto di leggi costitutive con soluzioni ad elementi finiti da rendere compatibili e dunque disponibili su supporti informatici, quali i codici di calcolo di più comune diffusione.

Nota: per i riferimenti bibliografici cfr. sezione 2.4.a.