approcci probabilistici e deterministici nella …
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APPROCCI PROBABILISTICI E DETERMINISTICI
NELLA DEFINIZIONE DELL’INPUT SISMICO
Giornata di studio in onore di Dario Rinaldis
MONITORAGGIO SISMICO DI SITI E STRUTTURE
Stato dell’arte e prospettive future
Roma, 16 febbraio 2016
ENEA - Via Giulio Romano, 41
Fabio Sabetta Dipartimento della Protezione Civile
Ufficio Rischio Sismico e Vulcanico
Servizio Pericolosità e Rischio Simico
2
In letteratura vengono proposti diversi approcci per la selezione del moto di input
ai fini della valutazione dell’amplificazione del moto del suolo ma manca una
indicazione chiara circa la metodologia da adottare
• Deterministic Seismic Hazard Assessmnent (DSHA) - non fornisce indicazioni
sulla probabilità di accadimento del terremoto di riferimento e sull’effetto delle
incertezze
• Probabilistic Seismic Hazard Assessment (PSHA) - non fornisce indicazioni
sul terremoto di riferimento e le coppie magnitudo-distanza che permettono di
definire lo scenario atteso
Si tende spesso a presentare DSHA e PSHA come mutualmente esclusivi
(Bommer, 2002).
In realtà la dicotomia tra i due metodi non è così pronunciata e l’approccio ideale
dovrebbe coniugare i vantaggi di entrambi i metodi (McGuire, 1995).
La scelta migliore è quella di utilizzare entrambi gli approcci integrati
(disaggregazione PSHA - Bazzurro e Cornell, 1999)
Introduzione
3
1. Selezione di spettri di risposta UHS su suolo rigido (periodo ritorno 475 anni) ricavati
dal PSHA e/o dalla normativa tecnica per il sito in esame.
2. Selezione di uno o più terremoti di riferimento (coppie magnitudo-distanza) in base a:
3. Calcolo degli spettri di risposta su suolo rigido relativi ai terremoti di riferimento in base a
una relazione di attenuazione.
4. Confronto e scelta degli spettri ricavati dall’approccio probabilistico e deterministico
(punti 1 e 3).
5. Selezione in banca dati (ITACA, ESM) di accelerogrammi registrati su suolo rigido e
corrispondenti alle coppie magnitudo-distanza individuate al punto 2.
6. Utilizzo di accelerogrammi simulati (SIMNOST, SEISMOARTIF) quando non si trovano
(alte M, piccole distanze, suolo rigido) accelerogrammi registrati.
7. Scalatura (IN-SPECTOR, REXEL) degli accelerogrammi per renderli spettro-compatibili
con gli spettri UHS e tener conto della sigma inclusa nella PSHA
8. Selezione della spettro compatibilità (IN-SPECTOR) nell’intervallo di periodi
corrispondente al periodo proprio dell’edificio o del terreno in esame
• disaggregazione del PSHA
• individuazione dei principali terremoti storici e strumentali
• analisi delle faglie attive e delle zone sismogenetiche circostanti il sito in esame.
Metodologia per la scelta di spettri e accelerogrammi di input
4
http://esm.mi.ingv.it
European Strong Motion database (ESM)
20788 three comp accelererograms
5
Esempi applicativi: area archeologica Roma-Palatino
1) Approccio probabilistico
(spettri UHS e di normativa)
Sabetta F. (2013). Seismic
hazard and design earthquakes
for the central archaeological
area of Rome. Bulletin of
Earthquake Engineering. DOI:
10.1007/s10518-013-9427-6 0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
T (s)
SA
(g
)1 Hazard map INGV 475 years rock
2 PSHA 475 years ZS9 SP96 rock
3 renewal BPT 6% exc. in next 30 years
4 NTC08 Roma 475 years Vs30>=800 m/s
5 NTC08 Roma 475 years Vs30=360-800 m/s
6 NTC08 Roma 100 years Vs30=360-800 m/s
6
Esempi applicativi: area archeologica Roma-Palatino
2) Approccio deterministico
(Selezione del terremoto di
riferimento )
Rome has practically no local seismicity apart
two earthquakes of intensity VI-VII in years
1091 and 1812
The seismicity is mainly affected by two ZS9
zones: 922 (Colli Albani) and n.923 (Abruzzo
Appenines).
The same outcome can be inferred by the faults
reported in DISS 3.1.1: “Velletri” (ITIS059) and
“Fucino basin” (ITIS002),
4.7
5.0
5.2
5.5
5.8
6.0
6.3
6.5
6.8
7.0
7.3
10
30
50
70
90
11
0
0%
1%
2%
3%
4%
5%
6%
7%
8%
9%
MagnitudeDistance (km)
PSA 1 Hz ZS9 SP96 Tr=475 years
Disaggregazione PSHA per Roma
Colli Albani
Fucino
7
Esempi applicativi: area archeologica Roma-Palatino
3) Approccio deterministico
(Spettri di Risposta )
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
T (s)
SA
(g
)
1 Fucino SP96 M=7 R=85km rock +0.5 sigma
2 Colli Albani SP96 M=5.5 R=20 km rock +1 sigma
3 Irpinia-Torre NS M=6.9 R=78 km rock
4 Umbria-Assisi EW M=5.1 R=17 km rock
5 Roma 1812 ML=4.5 Mw=4.93 R=5 km
No specific indication is given in the literature about the fraction of sigma to be used in the
deterministic assessment. In order to get spectra comparable with the probabilistic ones, 1
sigma for the Colli Albani scenario and 0.5 sigma for the Fucino have been selected.
An investigation of the ITACA and PEER database yielded three recordings similar to the
M=7, R=85 km scenario (one from Italy and two from California) and three for the M=5.5,
R=20 km scenario (two from Italy and one from California). Considering the preference for
Italian recordings and the requirement of a rock site (class A in NTC08), the accelerograms
recorded at Torre del Greco during the Irpinia earthquake of 1980 and at Assisi during the
Umbria-Marche earthquake of 1997 have been selected.
8
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
T (s)
SA
(g
)
1. PSHA mappa hazard MPS04 475 anni
2. DSHA Fucino M=7 R=85km +0.5 sigma SP96
3. DSHA Colli Albani M=5.5 R=20 km +1 sigma SP96
4. Registr. Irpinia-Torre M=6.9 R=78 km
5. Registr Umbria-Assisi M=5.1 R=17 km
Esempi applicativi: area archeologica Roma-Palatino
4) Selezione degli spettri ricavati dall’approccio probabilistico e
deterministico
9
Esempi applicativi: area archeologica Roma-Palatino
a) compatibile con lo spettro UHS della mappa di hazard (simulato col software SIMNOST)
b) simulato con SIMNOST-SP96 (M=5.5, R=20 km, suolo rigido) scalato con un fattore pari a
una deviazione standard
c) accelerogramma registrato a Torre del Greco (M=6.9, R=78 km, suolo rigido);
d) accelerogramma registrato ad Assisi (M=5.15, R=17 km, suolo rigido)
5-6-7)
Simulazione e
selezione di
accelerog.
10
SIMNOST
Software for the simulation
of non-stationary
accelerograms
Sabetta F. and Pugliese A. (1996).
Estimation of response spectra and
simulation of nonstationary
earthquake ground motions, Bulletin
of Seismological Society of America,
Vol.86, N° 2, pp. 337-352.
11
IN-SPECTOR (Acunzo et al., 2014)
Software for accelerograms scaling 33° GNGTS, Bologna, 2014
12
Risultati di analisi
numeriche 2D
eseguite su una
sezione del colle
Palatino
Esempi applicativi: area archeologica Roma-Palatino
La variazione in
termini di PGA è
piuttosto marcata
mentre le differenze in
termini di fattore FH,
(intensità di Housner
per periodi 0.1-0.5s e
0.5-1.0s), sono al
massimo del 30-40%.
La similitudine tra i profili di amplificazione relativi ai vari input può essere giustificata dal
modesto grado di non linearità sperimentato dai terreni dell’area in esame
13
Esempi applicativi: area interessata dal terremoto di L’Aquila
Il modello selezionato per il PSHA è LADE1 (LAyered
Design Earthquake): sorgenti individuali (box) e
dipendenza temporale (BPT) condizionata dal tempo
trascorso dall’ultimo evento, azzerando la sorgente di
Paganica per l’accadimento dell’evento del 6 Aprile.
I valori di PGA ottenuti ai 4 siti sono sensibilmente
maggiori di quelli che si ricavano da MPS04 e più
prossimi a quelli registrati per il terremoto dell’Aquila:
variano fra 0.3 e 0.5 g per un periodo di ritorno di 475
anni
Pace, Sabetta et al. (2011). Predicted ground
motion after the L’Aquila 2009 earthquake (Italy,
Mw 6.3): input spectra for seismic microzoning.
Bulletin of Earthquake Engineering, Vol. 9 n. 1
14
1. Spettro mappa pericolosità MPS04 (praticamente uguale per i 4 siti considerati).
2. Spettro deterministico, ottenuto dalla relazione di attenuazione SP96, per una coppia
di M-D (Mw=6.7, Repi=10km) ricavata dalle analisi di disaggregazione.
3. Spettro UHS ottenuto con il modello LADE1 e l’attenuazione SP96, per il sito di
Goriano Sicoli (non si rilevano differenze significative negli altri 3 siti).
Esempi applicativi: area interessata dal terremoto di L’Aquila
4) Selezione degli spettri ricavati dall’approccio probabilistico e deterministico
Lo spettro ricavato da
LADE1 è notevolmente
superiore a quello della
MPS04. Questo è
dovuto principalmente
all’uso di sorgenti più
dettagliate e di minori
dimensioni rispetto
all’unica sorgente (923)
della zonazione ZS9 e
all’utilizzo di modelli
dipendenti dal tempo 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
T (s)
SA
(g
)
1) Probabilistic MPS04 hazard map 475 years
2) Probabilistic: LADE1 SP96 (Goriano Sicoli)
3) Deterministic: SP96 Mw=6.7 Repi=10 km
SP96 + 0.5 sigma
station AQg Mw=6.3 Repi=4.4 km cmp EW soil=A
15
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50
T (s)
Sa (
g)
determ1
determ2
determ3
prob. LADE
comp. NTC 2008
NTC SLV
NTC SLC
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0 5 10 15 20
t (s)
a (
g)
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0 5 10 15 20
t (s)
a (
g)
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0 5 10 15 20
t (s)
a (
g)
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0 5 10 15 20
t (s)
a (
g)
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0 5 10 15 20
t (s)
a (
g)
Approccio deterministico 3 accelerogrammi (0.35-0.40g)
Approccio
probabilistico
0.32 g
Compatibile
con NTC
0.26 g
Esempi applicativi: area interessata dal terremoto di L’Aquila
5-6) Simulazione accelerogrammi
16
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600
distanza (m)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
FA
(H
)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
Sezione 3 (Poggio Picenze)
Ml 28PPCZ05 POG4
PPCZ04VGFZ03
NTC prob det1 det2 det3
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5F
A (
A)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
NTC prob det1 det2 det3
5.0
1.0
)(
)(supdTSI
bedrockI
erficieIF VH
H
HH
Risultati di analisi numeriche 2D eseguite su una sezione del sito di Poggio Picenze (Aq)
Esempi applicativi: area interessata dal terremoto di L’Aquila
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CONCLUSIONI
• L’approccio proposto per la selezione dell’input simico combina i vantaggi del
metodo probabilistico (valutazione della probabilità di eccedenza e inclusione
delle incertezze) e di quello deterministico (definizione di un terremoto di
riferimento).
• La selezione del terremoto di riferimento avviene sulla base di diversi tipi di
informazioni: 1) individuazione dei principali terremoti storici e strumentali;
2) studio delle faglie attive e delle zone sismogenetiche circostanti il sito in
esame; 3) disaggregazione del PSHA.
• L’input è rappresentabile sia sotto forma di spettri di risposta elastici che di
accelerogrammi.
• L’utilizzo di un apposito software (In-Spector) permette di scalare gli
accelerogrammi, in un dato intervallo di periodi spettrali, per renderli
compatibili con lo spettro probabilistico e tener conto della deviazione standard
dell’attenuazione
• La metodologia proposta è naturalmente applicabile ad altri campi oltre a
quello della microzonazione simica dove le differenze dei diversi input in
termini di amplificazione sono piuttosto modeste a meno di casi di elevata
non linearità nella risposta dei terreni.