Analisi della Risposta Sismica Locale di San Giuliano di Puglia

È ormai ampiamente riconosciuto che la risposta sismica locale ha una sensibile influenza su distribuzione ed amplificazione dello scuotimento sismico e, conseguentemente, sul danneggiamento indotto dai terremoti. Nel lavoro di tesi, dal titolo “Analisi della Risposta Sismica Locale di San Giuliano di Puglia”, il candidato presenta uno studio molto ampio ed approfondito della risposta sismica del centro urbano che rappresenta finora la case history più documentata e significativa in Italia. Il lavoro di ricerca è inquadrato nel “Progetto S3 - Scenari di scuotimento in aree di interesse prioritario e/o strategico” promosso dall’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) per conto del Dipartimento della Protezione Civile (DPC), coordinato dalla Dr.ssa Francesca Pacor (INGV, Milano) e dal Prof. Marco Mucciarelli (Università della Basilicata). Il Progetto di ricerca si pone come obiettivo generale l’analisi di scenari di scuotimento e di danno in alcune aree italiane, nel caso di accadimento del terremoto massimo credibile (Maximum Credible Earthquake). Tra le aree di validazione è individuata quella di San Giuliano di Puglia, particolarmente danneggiato dalla sequenza sismica del Molise nel 2002, il cui vento principale (31 ottobre) è caratterizzato da una magnitudo momento pari a 5.8. Nell’area sono presenti diversi centri abitati, tra i quali San Giuliano di Puglia che, sebbene non fosse meno distante di altri dagli epicentri, è stato quello maggiormente danneggiato. Infatti, dopo gli eventi sismici, a San Giuliano di Puglia è stato osservato un grado di danneggiamento pari al VIII-IX grado sulla base della scala MCS, mentre negli altri Comuni la stima è stata al limite pari al VII (Stucchi et al., 2007). Il motivo di tale discrepanza è da ricercarsi negli importanti fenomeni di amplificazione sismica locale che hanno interessato le aree di più recente costruzione di San Giuliano di Puglia; queste sono state edificate, a partire dagli anni ’40, su un deposito di marne argillose di spessore pari ad alcune centinaia di metri. Tale deposito è a contatto con una formazione flyschoide, affiorante al di sotto del nucleo originario dell’abitato, dove è stato osservato un danneggiamento di grado inferiore. Dopo un’analisi preliminare della letteratura con riferimento a casi di studio nazionali che internazionali di carattere simile, la prima parte del lavoro di ricerca è dedicata allo studio della pericolosità sismica del sito, con riferimento a dati storici e, soprattutto, strumentali, acquisiti nel corso della recente sequenza. A tal fine, sono state analizzate le registrazioni della rete accelerometrica mobile installata da DPC nel centro urbano di San Giuliano di Puglia; tali registrazioni, interpretate in termini di fattori di amplificazione e rapporti spettrali, hanno permesso di verificare amplificazioni sismiche molto elevate nell’intero campo di frequenze in cui può essere ascritto il patrimonio edilizio del paese. Nell’ambito del Task 1 del Progetto S3, sono stati esaminati circa 2000 sismogrammi registrati dalla RAN (Rete Accelerometrica Nazionale) e dalle reti mobili installate nell’area epicentrale alcuni giorni dopo il mainshock. Queste analisi hanno consentito la calibrazione di leggi di attenuazione specifiche per l’area di studio (Luzi et al., 2006) e la simulazione numerica dell’evento del 31 ottobre (Franceschina et al., 2006). La seconda parte della tesi ha riguardato la definizione del modello geologico di sottosuolo per l’analisi di risposta sismica locale. I diversi studi geologici in merito (cfr. Baranello et al., 2003; Melidoro, 2004 e Guerricchio, 2005; Giaccio et al., 2004; Strollo et al., 2006) suggeriscono diverse ipotesi in merito alla morfologia profonda delle formazioni geologiche principali, il flysch di Faeto e le marne argillose di Toppo Capuana. Queste corrispondono, in buona sostanza, a diversi andamenti in profondità del contatto tra formazione argillo-marnosa ed il substrato flyschoide, identificati con altrettanti modelli geometrici di sottosuolo (basin, wedge, anvil). Tale fattore risulta fortemente influente sulla risposta sismica locale alle basse frequenze. Le ipotesi sono state verificate con riferimento ai risultati delle indagini geofisiche profonde, eseguite nell’area di San Giuliano di Puglia nell’ambito del Progetto S3; queste sono consistite in 3 inversioni tomografiche geoelettriche (Piscitelli, 2007), una campagna gravimetrica di dettaglio (Palmieri et al., 2006) e 2 linee sismiche a riflessione (Böhm, 2007). Sempre nell’ambito del Progetto S3, i risultati di queste indagini hanno consentito la costruzione di un modello geologico strutturale 3D dell’area (Caputo et al., 2007). La terza parte ha riguardato la definizione del modello geotecnico di sottosuolo per l’analisi di risposta sismica locale. Si è provveduto alla raccolta ed analisi di tutte le indagini geotecniche eseguite nel centro abitato, con particolare riferimento alla campagna del DPC per conto della Procura di Larino (Baranello et al., 2003), che ha consentito un’adeguata caratterizzazione geotecnica dell’unità argillosa. Durante questa campagna, nel 2003, sono state eseguite 11 prove down-hole e 3 prove cross-hole spinte anche oltre i 30 m di profondità, e, sui campioni di terreno prelevati, diversi laboratori hanno eseguito, oltre alle usuali prove di classificazione, numerose prove di compressione edometrica e isotropa, triassiali non drenate e di taglio torsionale ciclico e dinamico (Silvestri et al., 2006). I parametri meccanici attribuiti all’unità flyschoide provengono invece un’unica prova down-hole, eseguita nel corso della vasta campagna geognostica (2004-5) per la ricostruzione del paese. Il gran numero di sondaggi nell’intero centro urbano ha permesso una descrizione molto dettagliata della stratigrafia delle marne argillose di Toppo Capuana, il cui spessore più superficiale (mediamente fino a circa 10 m di profondità), si presenta caratterizzato da un alto grado di weathering e da un sensibile contrasto di impedenza sismica con le sottostanti argille intatte. L’eterogeneità della stratigrafia in direzione verticale ed orizzontale è stata rappresentata con diversi livelli di dettaglio, cioè assimilando la formazione superficiale ad un materiale omogeneo, oppure suddiviso in due strati, con spessori costanti oppure considerandone la variabilità con criteri geostatistici; tale approccio ha permesso di valutare l’influenza sull’amplificazione delle frequenze medio alte (oltre i 5 Hz) del dettaglio stratigrafico nella caratterizzazione dell’unità argillosa degradata. Nella quarta parte, il candidato presenta i risultati delle simulazioni numeriche 2D agli elementi finiti (codice QUAD4M), eseguite allo scopo di confrontare le diverse ipotesi formulate sull’andamento del bedrock e sulla stratigrafia superficiale, e validarle in base alle registrazioni strumentali. Come moti di riferimento sono state assunte due registrazioni della rete accelerometrica mobile di San Giuliano di Puglia, effettuate sulla formazione flyschoide nel corso degli aftershocks occorsi il 12 novembre (M=5.2) ed il 2 dicembre (M=4.0). Lo scuotimento in superficie simulato dalla modellazione numerica è confrontato, in termini sia di parametri sintetici del moto (accelerazioni di picco, intensità di Housner), sia di spettri di risposta, con le rispettive registrazioni eseguite alla superficie dell’unità argillosa e del flysch. L’ultima parte della tesi descrive lo scenario di scuotimento e di danno nel centro abitato indotto dal mainshock del 31 ottobre. Le simulazioni numeriche dello scuotimento sono state eseguite sui modelli di sottosuolo 2D elaborati lungo una sezione che attraversa l’asse longitudinale del centro urbano e validati nella fase precedente. I parametri del moto sono stati confrontati sia con quelli ottenuti tramite analisi 3D con il metodo degli elementi pseudo-spettrali (FPSM) lungo la medesima sezione (Klin e Priolo, 2007), e raffrontati con le amplificazioni registrate dalle stazioni accelerometriche mobili di San Giuliano di Puglia durante le scosse di assestamento. Le distribuzioni del danno corrispondenti alle analisi 2D e 3D sono state elaborate a partire dallo scuotimento, attraverso una correlazione tra l’intensità di Housner e quella macrosismica, espressa secondo la scala MCS (Mucciarelli et al., 2007). Gli scenari di danno così ottenuti hanno mostrato un buon accordo con quello osservato all’indomani della crisi sismica da Dolce et al. (2004). I risultati degli studi interdisciplinari sul centro urbano di San Giuliano di Puglia hanno quindi rappresentato una favorevole occasione per mettere a punto metodologie di previsione numerica di risposta sismica locale, evidenziandone la sensibilità a fattori geometrici e meccanici. La ricerca ha offerto inoltre la possibilità di esprimere i risultati di tali simulazioni in termini di grandezze significative per la rappresentazione del danno ai manufatti