GNGTS 2015
Sessione 2.3
Sviluppo di un sistema di monitoraggio geofisico degli edifici
finalizzato alla riduzione del rischio sismico in alcuni siti
strategici della Sicilia orientale
L. Zuccarello1,3, M. Paratore1, D. Patanè1, D. Contrafatto1, A. Messina2, S. Rapisarda1
Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia – Osservatorio Etneo, Catania, Italia
Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia – Sezione Roma 2, Roma, Italia
3
UCD University College of Dublin, Dublin, Ireland
1
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Introduzione. Lo studio degli effetti di amplificazione sismica locale, indispensabile per
una corretta pianificazione urbanistica e per la definizione degli interventi ingegneristici di
prevenzione, consente di definire metodologie in grado di valutare la pericolosità sismica dei
siti, prima del verificarsi di eventi sismici, ai fini della progettazione antisismica e mitigazione
del rischio e per una corretta stima della vulnerabilità degli edifici. In tale contesto, negli ultimi
anni, sono state sviluppate tecniche di investigazione geofisica speditive e di basso costo,
basate sull’analisi del rumore simico ambientale, che presentano come principale obbiettivo
l’identificazione di eventuali frequenze fondamentali di risonanza dei siti investigati, nell’ambito
delle analisi di microzonazione sismica di primo e secondo livello, fornendo indicazioni
utili per una zonazione di tali frequenze. Ne costituiscono un valido esempio alcuni progetti
europei (SESAME European Project 2005) il cui intento era quello di fornire chiare indicazioni
sull’utilizzo per queste tecnologie. Le misure, in questo caso, possono essere effettuate
mediante tecnica a stazione singola (Bard, 1997), meglio conosciuta come “metodo H/V o
di Nakamura” (Nogoshi and Igarashi, 1971; Nakamura, 1989), la quale utilizza il rapporto
spettrale delle componenti orizzontali con la componente verticale della vibrazione ambientale
per individuare la frequenza di risonanza del sito e per ottenere, utilizzando la legge del quarto
dell’onda, la profondità a cui si incontra un significativo contrasto d’impedenza sismico e,
quindi, una litologia più competente.
E’ stato così approvato un progetto regionale (PO FESR 2007-2013) relativo alla attività di
sviluppo sperimentale finalizzata alla riduzione del rischio sismico in alcuni siti della Sicilia
orientale.
Uno degli obiettivi strategici del progetto, è stato quello di implementare un sistema di
monitoraggio geofisico degli edifici a basso costo, attraverso l’analisi dei segnali sismici
acquisiti da sistemi di rilevamento già in nostro possesso, installati presso alcuni edifici
considerati “strategici”. Il data set ottenuto, verrà in futuro utilizzato per successive fasi di
sviluppo di sensori geofisici low-cost.
L’impiego di tali soluzioni a basso costo consentirebbe la diffusione di sistemi di monitoraggio
in real-time, come, ad esempio, sistemi di early-warning in grado di fornire un segnale di
allarme in caso di alterazioni strutturali significative. Come ben noto, per essere definito tale,
un sistema di allerta sismica immediata a carattere regionale, deve essere capace di stimare,
entro pochi secondi dall’identificazione di un evento sismico potenzialmente distruttivo,
la sua posizione e la sua entità. Tale capacità è di cruciale importanza poiché dalle suddette
informazioni scaturiscono le successive stime di magnitudo e quindi di scuotimento atteso,
soprattutto in corrispondenza di siti da proteggere, perché di interesse strategico.
Nell’ambito del progetto, per valutare la vulnerabilità all’azione sismica, sono stati
individuati i seguenti edifici da monitorare:
• Osservatorio Etneo (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia), Piazza Roma 2,
Catania;
• Scuola Elementare N. Sauro, Via T. Tasso 3, Catania;
• Scuola Elementare M. Teresa di Calcutta, Via Guglielmino 49, Tremestieri Etneo (CT);
• D.P.C. di Messina, V.le S. Martino 336, Messina.
Monitoraggio geofisico della sede dell’Osservatorio Etneo. Come primo edificio, è stata
scelta la sede dell’Osservatorio Etneo (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia) situato a
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Catania. Presso tale sito sono state installate due stazioni sismiche mobili Nanometrics Taurus
(http://www.nanometrics.ca), dotate di digitalizzatore tre canali a 24 bit, data logger, di un
ricevitore GPS e di un clock di sistema, collegate ad accelerometri Kinemetrics Episensor FBA
ES-T tre componenti (http://www.kinemetrics.com). Le installazioni sono state effettuate su
due livelli, ubicando i sensori approssimativamente sulla stessa verticale. In particolare la prima
stazione, nominata CTOES, è stata posizionata presso il locale seminterrato, corrispondente al
piano di fondazione della struttura stessa; la seconda, nominata CTOET è stata installata presso
il locale terrazza, ad una quota di circa 11 m dal piano di fondazione.
I segnali registrati sono stati analizzati per definire la caratterizzazione strutturale dinamica
dell’edificio sfruttando le vibrazioni libere ambientali presenti nell’intervallo di frequenze di
interesse ingegneristico (0.1-10 Hz), sotto forma di evento sismico e/o noise (Peterson, 1993).
Per analizzare le risposte spettrali e le relative frequenze di vibrazione dell’edificio in esame, è
stato necessario rimuovere gli effetti legati a frequenze proprie di risonanza del sottosuolo. A tale
scopo, parallelamente alle registrazioni di noise sismico ambientale, è stata installata una terza
stazione sismica collegata a un sensore a larga banda Lennartz LE-3D 20sec (http://www.lennartzelectronic.de), chiamata CTOEV. Tale stazione è stata posizionata sul basamento in cemento
posto nel seminterrato dell’istituto, direttamente poggiante sul terreno di fondazione e svincolato
dal resto della struttura, in posizione circa attigua alla stazione accelerometrica CTOES.
Sono stati così analizzati i segnali provenienti dalle tre stazioni sismiche al fine di
i) confrontare i segnali della stazione CTOES con la stazione CTOEV, entrambe poste nel
seminterrato, e ii) confrontare i segnali delle due stazioni accelerometriche, CTOES e CTOET.
Nel primo caso è possibile studiare gli effetti legati a frequenze di risonanza del sottosuolo sul
quale poggia l’edificio in esame; nel secondo caso si cercano eventuali differenze nella risposta
dell’edificio alle vibrazioni a diversa altezza in termini di ampiezza e direzione.
Dall’analisi dei singoli spettrogrammi, provenienti dalle registrazione delle tre componenti
del velocimetro Lennartz durante le ore notturne, non sono stati evidenziati massimi
fisicamente significativi sulle componenti orizzontali associati a valori di ampiezza spettrale
minima sulla componente verticale (metodo HVSR- Horizontal to Vertical Spectral Ratio). Tale
comportamento risulta inoltre sempre concorde con quanto registrato dalla limitrofa stazione
accelerometrica CTOES. In nessun caso, infatti, i rapporti spettrali delle due diverse stazioni,
mostrano picchi ritenuti quantitativamente valutabili della funzione H(f)/V(f) per la banda di
frequenza considerata, presupponendo l’assenza di frequenze fondamentali di risonanza sia
del terreno di fondazione (sensore Lennartz su plinto), sia della struttura al livello del piano di
fondazione (stazione CTOES).
Successivamente a questa prima fase di pre-processing, sono state analizzate le misure
relative alle condizioni di sollecitazione forzata e di eventi sismici ed in particolare i segnali
dei seguenti eventi:
Tab. 1 - Localizzazione degli eventi sismici registrati alle stazioni accelerometriche di Catania (INGV).
Evento
Data
Magnitudo
Profondità
Distanza
Grecia
03/02/2014
6,1
10 Km
460 Km
Floresta
08/03/2014
4,1
8 Km
52 Km
Tripi
07/06/2014
3,7
9 Km
58 Km
Sui dati di ciascun evento, sulla porzione di segnale relativa alle registrazioni di onde S e
di onde di superficie, sono state condotte analisi spettrali sulle singole componenti del moto
e stimati i rapporti spettrali fra le componenti orizzontali del segnale accelerometrico e la
verticale (metodo HVSR).
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Fig. 1 – Stima dei rapporti spettrali H/V (a) e relativi diagrammi di direzionalità (b) relativi ad onde S e superficiali
misurati alla stazione CTOET. Rapporti fra componenti omologhe N-S (curva rossa) e E-W (curva blu) (c).
Le analisi mostrano risultati analoghi per ciascun evento sismico preso in considerazione.
Pertanto è possibile riassumere quanto segue.
1. le ampiezze spettrali della componente verticale, registrate alla stazione installata nel
locale seminterrato CTOES, risultano essere un ordine di grandezza inferiori rispetto alle
componenti orizzontali;
2. la componente vertiale, registrata alla stazione installata in terrazza CTOET, presenta
lo stesso ordine di grandezza delle orizzontali, con inversione del trend oltre i 10 Hz.
Si registra inoltre un aumento delle ampiezze spettrali nelle componenti orizzontali in
entrambe le stazioni, con livelli massimi di ampiezza (stazione CTOET) nel range di
frequenze che va da 3 Hz a 8 Hz, oltre il quale i valori decrementano rapidamente;
3. dalle stime dei rapporti spettrali non si evidenziano picchi significativi associabili a
frequenze di risonanza del terreno al livello del piano di fondazione (stazione CTOES)
in condizioni di scuotimento dinamico. Si registrano, al contrario, al nodo sensoriale
CTOET, massimi valori delle componenti orizzontali del segnale rispetto alla verticale
associabili a picchi della funzione H/V per bande di frequenza comprese tra 4 e 7 Hz
(Fig. 1a). I diagrammi di direzionalità, ottenuti da una rotazione della funzione H/V
per valori di azimuth compresi tra 0° e 180°, evidenziano una anisotropia della risposta
sismica della struttura con picchi del rapporto in corrispondenza delle componenti estovest del segnale (Fig. 1b).
Successivamente alle analisi spettrali condotte sulle componenti del moto e ai rapporti
spettrali H(f)/V(f), sono stati stimati i rapporti degli spettri delle componenti omologhe N-S e
E-W rilevate al piano terrazza rispetto al livello seminterrato, preso come sito di riferimento,
ossia il livello in cui l’effetto dell’edificio è minimo e l’effetto del sottosuolo è massimo. È
possibile in tal modo rimuovere il contributo del piano di fondazione, ovvero si eliminano
le frequenze proprie di quest’ultimo misurabili all’interno della struttura. Così attraverso lo
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Sessione 2.3
studio dei rapporti spettrali, è possibile ricavare le frequenze dei modi di vibrazione legate
alla struttura e i fattori di amplificazione del moto ai vari piani. I test per la caratterizzazione
strutturale dinamica dell’edificio sono stati condotti in condizioni di vibrazioni libere ambientali,
valutando sia segnali di noise sismico, sia sollecitazioni di taglio legate agli eventi sismici di
bassa magnitudo precedentemente descritti.
Le curve relative ai rapporti spettrali fra componenti omologhe (piano terrazza-seminterrato),
registrate durante l’evento sismico del 08/03/2014 (M=4,1 - Floresta) e durante il telesisma del
03/02/2014 (M=6,1 - Grecia), presentano un primo picco, ben evidenziato, a 6 Hz identificabile
con il primo modo di vibrazione dell’edificio. La componente E-W mostra sempre maggiori
effetti amplificativi sulla prima armonica, confermando quanto già rilevato nei diagrammi di
direzionalità delle funzioni H/V (Fig. 1c). Analogo risultato si ottiene dai rapporti spettrali
relativi al rumore sismico ambientale. Ciò conferma che l’edificio risponde seguendo lo stesso
comportamento quasi elastico se sollecitato sia da noise ambientale, sia da eventi sismici di
moderata intensità che non determinano alcun danneggiamento strutturale.
Ulteriori approfondimenti del comportamento dinamico dell’edificio sono stati effettuati
mediante lo studio del particle motion condotto su finestre temporali del segnale sismico
relative al primo impulso delle onde di taglio S e alla sua massima ampiezza di oscillazione
(evento sismico 08/03/2014). L’analisi consente di verificare le differenze di oscillazione,
in termini di ampiezza e direzione, esistenti fra i diversi livelli (piani dell’edificio) presi in
considerazione. Nel caso in esame, le porzioni di segnale sono state filtrate mediante filtro
passabanda su due range di frequenza (3-5 Hz e 5-7 Hz), corrispondenti ai massimi valori di
ampiezza ottenute dalle analisi spettrali. Il segnale, ben polarizzato al picking delle onde S,
subisce una amplificazione in ampiezza fra il piano seminterrato e il livello terrazza pari ad
un fattore maggiore di 2 nella banda di frequenza compresa tra 3-5 Hz, ed un fattore circa 4
nella banda 5-7 Hz, ovvero in corrispondenza del primo modo flessionale dell’edificio. Non si
registrano rotazioni sulla direzione di oscillazione ai diversi piani.
Monitoraggio del D.P.C. di Messina. Presso tale sito sono state installate due stazioni
sismiche mobili Reftek con accelerometro Kinemetrics Episensor FBA ES-T installate presso il
locale seminterrato e il secondo piano della struttura.
Sono state condotte analisi preliminari sul noise sismico ambientale allo scopo di stimare
i rapporti spettrali con metodo HVSR. L’analisi è stata condotta attraverso il seguente metodo
di analisi:
1. registrazione del segnale ambientale nelle 3 componenti in finestre temporali orarie;
2. scomposizione del segnale in finestre temporali (25 s), con l’obiettivo di isolare le parti
della registrazione in cui il segnale risulta maggiormente stazionario ed eliminare i
rumori transitori, o transienti;
3. calcolo e smoothing (Konno e Ohmachi, 1998) dello spettro di ampiezza ricavato
tramite la trasformata di Fourier per ognuna delle finestre selezionate su tutte e tre le
componenti;
4. combinazione, con un’operazione di media, delle due componenti orizzontali per ognuna
delle finestre selezionate;
5. calcolo del rapporto H/V per ogni finestra;
6. calcolo della media dei rapporti H/V delle singole finestre, che rappresenterà la curva
definitiva.
Dalle analisi effettuate sulle misure accelerometriche registrate alla stazione installata presso
il locale scantinato, non risulta alcuna evidenza di picchi significativi associabili a frequenze di
risonanza del terreno. Risulta, al contrario, evidente un picco della funzione H/V alla frequenza
di 5 Hz alla stazione installata al secondo piano dell’edificio (Fig. 2a). Tale valore può essere in
prima approssimazione assimilabile alla frequenza di risonanza dell’edificio.
I valori precedentemente ottenuti, risultano confermati dalle analisi delle curve relative ai
rapporti spettrali fra componenti omologhe (secondo piano - scantinato), le quali presentano
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Sessione 2.3
Fig. 2 – Stima dei rapporti spettrali H/V (a) e relativi diagrammi di direzionalità (b) relativi a misure di noise sismico
ambientale rilevate presso il II piano dell’edificio. Rapporti fra componenti omologhe N-S (curva rossa) e E-W (curva
blu) (c).
picchi rispettivamente a 4,5 Hz per la componente E-W e 5 Hz per la componente N-S,
identificabili con il primo modo di vibrazione dell’edificio. In Fig. 2c vengono mostrati i
diagrammi dei rapporti effettuati in funzione della frequenza.
Monitoraggio della Scuola Elementare N. Sauro di Catania e della Scuola Elementare
Madre Teresa di Calcutta di Tremestieri Etneo (CT). In entrambe le scuole sono state
installate presso i locali più alti (primo piano per la Scuola Elementare Madre Teresa di Calcutta
e piano terrazza per la Scuola Elementare N. Sauro), stazioni sismiche mobili con acquisitori
Reftek associate ad accelerometri Kinemetrics Episensor FBA ES-T.
Anche presso tali strutture il monitoraggio è stato eseguito mediante la stima dei rapporti
spettrali del segnale di noise rilevato alle diverse componenti, utilizzando la stessa procedura
descritta per il D.P.C. di Messina.
In particolare, come mostrato in Fig. 3a, presso la Scuola Elementare N. Sauro è stato
rilevato un picco della funzione H/V relativo al rapporto delle componenti orizzontali del
segnale rispetto alla verticale registrato alla frequenza di 6 Hz. Tale valore può essere in prima
approssimazione assimilabile alla frequenza di risonanza dell’edificio.
La Fig. 3b mostra il grafico relativo ai rapporti spettrali dei segnali registrati presso la Scuola
Elementare M. Teresa di Calcutta al nodo sensoriale installato al primo piano dell’edificio. In
questo caso la curva è ben piccata alla frequenza, ritenuta di risonanza, di 7 Hz.
Conclusioni e prossimi obiettivi. Dai risultati qui descritti, abbiamo osservato come gli
edifici monitorati rispondano in modo analogo alle sollecitazioni sismiche indotte sia da noise,
che da eventi sismici a bassa magnitudo. Pertanto, le registrazioni di microtremore ambientale
risultano spesso sufficienti per conoscere il comportamento della struttura nel dominio quasielastico.
Le analisi condotte presso gli edifici hanno permesso di identificare le frequenze caratteristiche
di vibrazione delle singole strutture. I valori sono confermati dalla perfetta sovrapponibilità
dei risultati ottenuti da due diverse tecniche di elaborazione (rapporti H/V e rapporti H/H).
Inoltre, l’analisi dei segnali sismici misurati alle stazioni installate in campo libero mostrano
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Fig. 3 – Curve H/V con intervallo di confidenza (curva tratteggiata), valore medio (curva nera) e singole finestre di analisi
(curve colorate) relative alla Scuola Elementare N. Sauro (a) e alla Scuola Elementare M. Teresa di Calcutta (b).
come le strutture analizzate non siano soggette a fenomeni di doppia risonanza con il terreno
di fondazione.
Uno dei principali risultati attesi dalle attività inerenti il progetto è la realizzazione di
una rete di monitoraggio della azione sismica per l’acquisizione di dati sito-dipendenti, in
quelle aree dove sono frequenti terremoti di bassa e/o media intensità. A tal fine risulta di
fondamentale importanza la conoscenza del modello sismo-stratigrafico della porzione di
terreno su cui è installata la rete di registrazione sismica. La fase finale del progetto vedrà
pertanto la definizione di profili di velocità mono e bidimensionali, attraverso tecniche d’array
sismico. In particolare i modelli di velocità verranno realizzati attraverso l’utilizzo congiunto
di due tecniche di analisi:
1. Metodo di inversione della curva di dispersione delle onde di superficie stimata mediante
tecnica di autocorrelazione spaziale (SPAC), basata sullo studio delle proprietà di
correlazione spaziale del rumore registrato a più stazioni. Le velocità di propagazione
delle onde S viene determinata a partire dalle proprietà di dispersione delle onde di
superficie.
2. Metodo di inversione delle misure HVSR basato su (i) una procedura numerica per
la determinazione del profilo teorico della curva HVSR associata ad una determinata
configurazione stratigrafica, (ii) una procedura di ricerca automatica dei parametri del
modello di partenza (Vs, h, ρ, ν), per il best fit tra curva teorica e sperimentale.
L’utilizzo di entrambe le tecniche riduce sensibilmente il livello di non univocità delle
inversioni. Partendo, infatti, dal modello di velocità stimato dallo studio delle caratteristiche di
dispersione delle onde di superficie, è possibile così risalire alle stratigrafie capaci di riprodurre
le curve HVSR.
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