Risposta sismica locale: parte III – analisi sismica territoriale

1. UN CASO DI STUDIO: analisi sismica della città di Teramo

Gli stessi modelli 1D e 2D illustrati nella prima e seconda parte dell’articolo possono essere utilizzati anche per l’esecuzione dell’analisi dinamica territoriale, come nel caso dell’analisi sismica della città di Teramo (Di Francesco et. ali, 2005) il cui nome latino, Interamnia Urbis, significa “città tra due fiumi”.

Dalla semplice lettura della toponomastica risulta scontata la presenza di ingenti quantità di terreni alluvionali, ovvero soffici e pertanto simicamente amplificanti, che di fatto rappresentano l’ossatura dell’intero centro storico della città essendo la stessa bordata dal Fiume Tordino e dal Torrente Vezzola.

Da un punto di vista geologico e geomorfologico, il territorio comunale risulta incassato proprio nel punto di confluenza delle due aste fluviali, laddove le relative valli alluvionali si congiungono aprendosi all’incirca a ventaglio e dando luogo a spessori variabili dai 20 ai 24 metri di ghiaie e sabbie. Nel contempo il substrato roccioso corrisponde a fitte alternanze e stratificazioni di marne ed arenarie del Messiniano (5.5 ¸ 5 MA), conducendo di fatto alla situazione ottimale per lo sviluppo dei fenomeni di amplificazione sismica:

• presenza di terreni alluvionali soffici di elevato spessore;
• presenza di substrato roccioso indeformabile;
• elevata differenza tra le impedenze caratteristiche delle alluvioni rispetto al substrato.

Se si considera, poi, anche la geometria all’incirca tabulare di tali depositi risulta allora plausibile l’applicazione di “semplici” modelli 1D, del tipo illustrato nella prima parte dell’articolo, per lo studio della risposta sismica locale relativa alla costruzione di un singolo edificio, di un aggregato o dell’intero territorio comunale.

In quest’ultimo caso la modellazione sismica dell’intero territorio è stata svolta utilizzando modelli viscoelastici 1D inseriti in un ambiente GIS, al fine di poter tenere conto della reale struttura geologica e geomorfologica che comunque risulta variabile dal centro verso le periferie, laddove sono presenti depositi colluviali, frane di varia genesi e dimensione, terrazzi alluvionali sospesi sulle valli e substrato affiorante. In sostanza il territorio comunale è stato simulato mediante discretizzazione a maglia regolare, ai cui nodi sono state associate le informazioni di carattere geologico, geomorfologico e geofisico derivate in parte dagli studi relativi al nuovo PRG ed in parte mediante rilievi in originale comprendenti tra l’altro l’esecuzione di prospezioni sismiche.

Non ultimo, anche per tale analisi è stato utilizzato come segnale di ingresso il sisma del 26 settembre 1997 illustrato nella seconda parte dell’articolo.

(da: Di Francesco et. ali, 2005).

Analizzando la porzione sinistra della figura 2, relativa alla mappatura a colori delle zone di isoamplificazione sismica (curve di eguale Fattore di Amplificazione Dinamica) è possibile giungere alle seguenti considerazioni:

1. l’area urbana relativa al centro storico subisce fenomeni di elevata amplificazione del segnale sismico, corrispondente ad un FAD = 4.5 incentrato sulla frequenza fondamentale dei depositi alluvionali f₁ = 3.38 Hz (T = 0.296 sec);
2. nelle zone periferiche la risposta locale è notevolmente dispersa, con assenza di amplificazione (FAD = 1) nei settori di diffuso affioramento del substrato roccioso.

Occorre allora considerare che l’integrità statica degli edifici antichi, tuttora agibili, è funzione del periodo proprio di oscillazione, il quale è in genere  lontano dalla frequenza fondamentale dei terreni alluvionali di fondazione; in altre parole l’intero tessuto urbano antico è da considerasi come il risultato di una selezione naturale.

L’ultimo aspetto può essere chiarito considerando che, dall’applicazione della funzione di trasferimento relativa al centro storico (mappatura arancione) al segnale di ingresso con picchi di 0.2g, risulta un segnale di uscita al suolo con picchi di 0.45 g nonostante la notevole amplificazione relativa al primo modo di vibrazione dei terreni (figura 2 a destra);

Ciò implica che lo spettro di risposta del centro storico non coincide con quello dei terremoti appenninici attenuando in parte il fenomeno dell’amplificazione sismica.

Occorre poi considerare anche il modo fondamentale di vibrazione degli edifici costituenti il centro storico i quali, per altezza standard di 10, 15 e 20 metri corrispondono (semplicisticamente) a 3.56 Hz (T₁ = 0.280 sec), 2.62 Hz (T₂ = 0.382 sec) e 2.11 Hz (T₃ = 0.473 sec), da confrontare con i primi tre modi fondamentali dei sottostanti depositi alluvionali: 3.38 Hz (T₁ = 0.296 sec), 6.76 Hz (T₂ = 0.148 sec) e 10.10 Hz (T₃ = 0.099 sec).

Infine, la ricerca è stata conclusa con la determinazione delle forme modali di vibrazione dei terreni alluvionali, ricercati attraverso la relazione:

                                                                                                 (1)

 

la cui sintesi è illustrata in figura 3.

il sottosuolo del centro storico di Teramo (da: Di Francesco R., 2008).

Com’è possibile evincere da tale figura, per il primo modo di vibrazione del sottosuolo i terreni oscillano in fase, mentre per i modi superiori si assiste a spostamenti in contrapposizione di fase che aumentano con la profondità; è anche vero, però, che il primo modo è quello a maggiore contenuto di energia.

2. CONCLUSIONI

Riassumendo gli elementi introdotti finora risulta chiaro che la risposta strutturale alle sollecitazioni cicliche e/o dinamiche di un edificio rappresenta sempre un caso isolato se non unico, considerato che tra gli elementi che influiscono sul rispetto della vita utile possono essere citati:

1. la geometria strutturale;
2. la tipologia costruttiva;
3. l’azione delle masse in gioco;
4. le condizioni di snellezza;
5. l’azione delle tamponature nei telai;
6. le condizioni di conservazione e la vetustà;
7. la tipologia delle fondazioni;
8. la natura e spessore dei terreni di fondazione;
9. la presenza di faglie o altri elementi di discontinuità tettonica;
10. la presenza e quota del livello piezometrico;
11. l’intensità, durata e contenuto in frequenza della forzante sismica.

A conclusione dello studio è possibile citare gli effetti del terremoto del 6 aprile 2009 il quale ha causato a Teramo effetti comparabili con il modello prodotto, con i danni concentrati nelle zone a maggior amplificazione sismica. E tutto ciò pur considerando una distanza topografica dalle zone epicentrali di alcune decine di chilometri ed un sisma molto superficiale che ha concentrato la propria energia in un’area molto ristretta.

3. RIFLESSIONI PERSONALI SUGLI EFFETTI DEL SISMA DEL 6 APRILE 2009

La notte del 6 aprile 2009 avevo il mio sismografo in casa ed era acceso. Lo avevo installato da almeno due mesi, ovvero da quando avevo iniziato a percepire le innumerevoli scosse che andavano aumentando per numero ed intensità.

Abito all’ultimo piano di una “palazzina” di 11 appartamenti, con tre livelli fuori terra ed un livello interrato, costruita in calcestruzzo armato nel 1995. La situazione morfologica e stratigrafica è del tutto inusuale, con presenza di ghiaie e sabbie a moderata cementazione depositate in un paleo-ambiente di conoide alluvionale. Lo spessore però varia a breve distanza, considerato che sul lato ovest supera i 40 metri in affioramento e su quello est, a distanza di circa 20 metri dall’edificio, affiora invece il substrato roccioso.

Ogni giorno che rientravo in casa, o che mi intrattenevo ivi al computer, percepivo scosse che altri non sentivano, e non poteva essere altrimenti, stante gli ovvi fenomeni di amplificazione dinamica seguita da riflessioni multiple delle onde sismiche in funzione dell’articolato contatto alluvioni – substrato. Di fatti, utilizzando la semplice relazione di Okamoto, discussa nella prima parte dell’articolo, ipotizzando uno spessore medio di 20 metri al di sotto dell’impronta dell’edificio e considerando una possibile V_SH,all = 350 m/s delle alluvioni si ottiene un periodo fondamentale T₁ = 0.229 sec, ossia una frequenza fondamentale f₁ = 4.37 Hz. Se a tali dati aggiungiamo la velocità del substrato, V_SH,sub = 900 m/s ed i pesi di volume dei due mezzi, g_all = 18.5 kN/m³ e g_sub = 21.6 kN/m³, si ottiene un FAD =3 incentrato su tale frequenza.

In altre parole, pur considerando l’attenuazione del segnale sismico con la distanza, le onde riprendevano vigore allorquando giungevano al centro storico di Teramo e presso la periferia lato Ascoli Piceno dove io risiedo.

Ora, quella notte percepii dapprima un enorme, cupo, boato in avvicinamento che sembrava annunciare il movimento vorticoso che iniziai ad avvertire dopo pochi secondi; arrivarono dapprima le onde P, e le percepii chiaramente con l’edificio che iniziò a vibrare nei suoi modi flessionali, sospinto in avanti ed indietro; poi, dopo 10 secondi tutto sembrò svanire per pochi decimi di secondo, e in quel momento ebbi paura perché era chiaro, come puntualmente avvenne, che stavano subentrando le onde S, ancor più forti e distruttive. Il telaio in calcestruzzo armato iniziò a contorcersi, come avesse improvvisamente dimenticato le leggi naturali dell’equilibrio, i nodi strutturali scricchiolavano e tutto cadeva nell’appartamento. Il grande armadio a specchi si inclinò più volte fino a circa 20°, tanto da far temere a mia moglie che ci avrebbe schiacciato. Un fossile, del peso di 2.5 kg, fu scagliato a circa 2 metri di distanza lasciando un segno sul parquet che non abbiamo mai riparato. E mai lo faremo.

Quando il sisma finì, dopo 21 secondi di registrazione nel sismografo, l’edificio ancora oscillava perché, come scoprii dopo l’analisi della registrazione, la palazzina ha una frequenza fondamentale di 4.2 Hz, cioè un periodo di 0.238 secondi.

Era entrato in quasi-risonanza con il sisma.

Fortunatamente i danni sono stati lievi, con distacco perimetrale di alcune tamponature ai primi due livelli, anche se alcune lesioni sono presenti anche al mio appartamento al terzo, ed ultimo piano. Abbiamo riscontrato alcune fessure all’attacco dei balconi con le travi fonde perimetrali, ma niente di rilevante considerato che, avendo scritto un testo sulla diagnostica dei quadri fessurativi, ho sempre monitorato visivamente l’intero edificio.

Gli edifici all’altro lato della strada, dove le alluvioni sono quasi assenti o del tutto sostituite dal substrato roccioso, hanno oscillato in misura molto inferiore e non presentano invece alcun danno.

4. BIBLIOGRAFIA DI RIFERIMENTO

Di Francesco R., Lesioni degli edifici: applicazioni di geotecnica e geofisica nell’analisi dei cedimenti delle fondazioni. Ulrico Heopli Editore Spa, Milano, 2008.

Di Francesco R., Di Filippo S., Siena M., Di Biagio A., Valente A., Analisys of the local seismic risk trhought the applications of viscoelastic model: an essay on the territory of the town of Teramo (Italy). The XI^th Computer Conference of International Association for Computer Methods and Advances in Geomechanics, Torino, 19-24 giugno 2005.