FASCICOLO III
LINEE GUIDA PER LA SALVAGUARDIA DEI BENI CULTURALI DAI RISCHI NATURALI
1. Definizione di pericolosità sismica
2. Valutazione della pericolosità a scala regionale
3. Valutazione della pericolosità a scala locale
3.1 inquadramento geolitologico locale
1. Definizione di pericolosità sismica
La pericolosità sismica (seismic hazard) di un dato sito si può definire come una misura dell’entità del fenomeno sismico atteso nel sito stesso in un assegnato periodo di tempo. Come tutte le pericolosità essa è quindi una caratteristica del territorio, indipendente dai beni e dalle attività umane eventualmente presenti su di esso.
I parametri descrittivi del moto del terreno utilizzati per un’analisi di pericolosità sismica possono essere vari, in dipendenza dai dati disponibili e dalle finalità dello studio; tra i più diffusi ci sono l’intensità macrosismica, il picco di velocità (PGV) o di accelerazione (PGA), i valori spettrali (vedi glossario).
1.1 Metodi di Calcolo
La pericolosità sismica può essere valutata in termini deterministici o probabilistici. In una analisi deterministica, i dati sismici storici e strumentali (e, quando possibile, le caratteristiche delle strutture sismogenetiche che possono avere effetti rilevanti sul sito) portano, per ciascuna sorgente sismica, all’identificazione di un terremoto di riferimento, inteso come il massimo atteso o quello con un assegnato periodo medio di ritorno. I parametri sismici di questo evento (magnitudo, meccanismo focale, profondità), la distanza sito-sorgente e le condizioni di sito (in particolare le caratteristiche geologiche e topografiche in grado di produrre fenomeni di amplificazione) vengono utilizzati per
ricavare una serie di accelerogrammi artificiali, (Sabetta e Pugliese, 1996) da cui ottenere uno spettro medio di sito
oppure
selezionare in una bancadati accelerometrica le registrazioni, almeno 3 secondo le indicazioni dell’Eurocodice (CEN, 2001) e dalla normativa italiana (Ordinanza PCM del 20.03.03 n.3274), ottenute in condizioni di sito e di sorgente il più possibile simili a quelle in esame e ricavare da queste lo spettro di risposta al sito.
Questo approccio ha il difetto di tener conto solo della storia sismica passata, senza considerare la variabilità del fenomeno, ma può essere a volte il più indicato per la valutazione del massimo evento possibile per il sito.
Poiché sia i dati di input che i modelli utilizzati nel calcolo della pericolosità sismica sono affetti da incertezza, generalmente si preferisce un approccio di tipo probabilistico, in cui l’intensità degli eventi, la loro localizzazione e la distribuzione dei tempi di intercorrenza sono trattati come variabili casuali.
Nella maggior parte delle metodologie di calcolo probabilistiche i passi fondamentali sono ancora quelli proposti da Cornell (1968):
descrizione della sismicità
dell’area che potenzialmente fornisce contributi significativi alla
pericolosità del sito, vale a dire identificazione e caratterizzazione delle
sorgenti sismiche;
definizione del modello di attenuazione dell’energia sismica,
espresso in termini del parametro descrittivo del moto del terreno adottato
per l’analisi;
scelta del modello per le comparse sismiche ed elaborazione.
Il modello di comparsa più diffuso è quello di Poisson, che si basa sull’assunzione di terremoti indipendenti l’uno dall’altro. Attualmente si stanno sperimentando modelli “con memoria”, in cui si tiene conto ad esempio del tempo di comparsa dell’ultimo evento nell’area in esame. Questi modelli più complessi permettono teoricamente di descrivere meglio il fenomeno, ma hanno limiti di applicabilità in quanto dipendono da un maggior numero di parametri e richiedono dati di input non sempre disponibili.
Quando, come generalmente accade in Italia, le strutture sismogenetiche sono difficilmente identificabili e caratterizzabili con precisione, la localizzazione degli eventi viene schematizzata tramite sorgenti areali, entro le quali ciascun punto ha la stessa probabilità di essere epicentro di un futuro terremoto. In questo caso la caratterizzazione della sorgente avviene tramite il massimo terremoto possibile e una relazione di ricorrenza che descrive la frequenza di comparsa degli eventi in funzione della magnitudo (o dell’intensità macrosismica). Per il territorio italiano è stata utilizzata fino al 2004 la zonazione ZS4 realizzata nell’ambito degli studi di pericolosità sismica condotti dal Gruppo Nazionale Difesa dai Terremoti del CNR (Scandone et al., 1991; Meletti et al., 2000); essa è stata recentemente modificata in seguito agli studi che hanno portato alla redazione della mappa di pericolosità sismica prevista dalla nuova normativa antisismica (Maletti & Valensise, 2004) .
Il catalogo costituisce la base di qualunque analisi di pericolosità sismica, in quanto da esso derivano direttamente i dati utilizzati per un’indagine deterministica e indirettamente quelli utilizzati per un’indagine probabilistica (caratterizzazione delle sorgenti, relazioni di attenuazione, relazioni intensità-magnitudo). L’Italia ha una storia sismica di circa 2000 anni e nel corso del tempo sono stati compilati molti cataloghi, macrosismici o strumentali; i dati in essi riportati erano spesso affetti da incompletezza e disomogeneità e quindi necessitavano di una preventiva revisione ed interpretazione. Nel corso degli anni 90 è stato compilato un catalogo sismico nazionale (Camassi & Stucchi, 1997), strettamente collegato alla zonazione sismotettonica, dalla cui elaborazione derivano le più recenti carte di pericolosità a scala nazionale. Esso è associato ad un database di osservazioni macrosismiche (Monachesi & Stucchi, 1997) che può rappresentare un prezioso strumento per inquadrare la sismicità storica del sito di interesse. Per completare il quadro recente va ricordato che nello stesso periodo sono stati presi in esame da un altro gruppo di ricercatori i forti terremoti di area italiana (Boschi et al. ,1997): questa ulteriore raccolta ha creato qualche difficoltà, in quanto il catalogo di riferimento a scala nazionale non era più unico, ma anzi erano disponibili due prodotti diversi per obiettivi, strategie di compilazione e tipologie di dati. Per ovviare all’inconveniente i vari gruppi di ricercatori impegnati nel campo hanno compiuto uno sforzo per fornire un prodotto, sostenuto dal consenso comune, in cui tali differenze fossero il più possibile ridotte (Gruppo di Lavoro CPTI, 1999). Quest'ultimo catalogo è stato recentemente aggiornato (Gasperini, 2004), in relazione agli studi finalizzati alla redazione della mappa di pericolosità sismica prevista dalla nuova normativa antisismica italiana.
Un cenno a parte meritano i cataloghi locali, che riportano le intensità direttamente osservate al sito o stimate dai campi macrosismici di terremoti documentati e permettono di valutare la pericolosità sismica evitando tutte le assunzioni relative alla caratterizzazione delle sorgenti sismogenetiche e soprattutto al modello di attenuazione (Papoulia & Slejko, 1997; Molin & Paciello, 1999). Si tratta di un metodo che richiede ricerche approfondite ed è attuabile solo per comuni con una buona documentazione storica, inoltre fornisce soltanto risultati in termini di intensità macrosismica; comunque, data l’estensione temporale che può essere considerata e l’eliminazione dalla valutazione della pericolosità di molti passaggi incerti, esso può essere suggerito, nel caso di siti di particolare interesse, per coadiuvare analisi le deterministiche e per verificare alcune assunzioni di quelle probabilistiche.
1.2 Risultati
I risultati di un’analisi di pericolosità possono essere presentati in numerosi modi, tra quelli più comunemente utilizzati per un singolo sito si possono ricordare:
valori del parametro di interesse con assegnato
periodo medio di ritorno,
valori con assegnata probabilità di eccedenza
(p) o equivalentemente di non-eccedenza (1-p) in un dato intervallo temporale,
probabilità di eccedenza (o non-eccedenza) in un
dato intervallo temporale di un assegnato valore del parametro di interesse,
spettro di risposta ad hazard uniforme (in accelerazione, velocità o spostamento), che riporta i valori del parametro scelto in funzione della frequenza del moto, per assegnati periodi di ritorno o probabilità di eccedenza.
E’ bene ricordare che in generale, assumendo un modello di comparsa di tipo poissoniano, c’è una precisa corrispondenza tra periodo di ritorno e probabilità di eccedenza; ad esempio, il valore del parametro descrittivo del moto avente probabilità del 90% di non essere superato (cioè del 10% di essere superato) in 50 anni, corrisponde al valore con periodo di ritorno di 475 anni. Questo particolare valore rappresenta la base per l’applicazione dell’Eurocodice sismico (CEN, 2001) e dalla normativa italiana (Ordinanza PCM del 20.03.03 n. 3274) alla progettazione di edilizia civile ed è quindi uno dei risultati più utilizzati nel calcolo della pericolosità sismica a scala nazionale.
1.3 Analisi relative al territorio italiano
Vengono di seguito brevemente illustrate le più recenti analisi di pericolosità sismica relative all’intero territorio italiano:
uno
studio condotto dal SSN-GNDT (Albarello et al., 2000) ha valutato a livello
comunale i valori di PGA (espresso in g) e di intensità (secondo la scala MCS)
con probabilità di superamento del 10% in 50 anni, quindi con periodo medio di
ritorno di 475 anni;
lo studio
più completo in termini spettrali è quello di
Rebez et al. (1999), nel quale
sono state prodotte le mappe dell’ accelerazione spettrale relativa ai periodi
di 0.2 e 1 secondi e del picco di accelerazione efficace (EPA), corrispondenti
al periodo di ritorno di 475 anni; sono stati inoltre calcolati gli spettri di
risposta uniformi nell’intervallo 0.1-2.0 secondi e periodo di ritorno di 475
anni per i principali comuni italiani;
nel
lavoro finalizzato alla nuova classificazione sismica del territorio italiano
(Gruppo di Lavoro, 1999) sono state calcolate le mappe di sismicità relative a
due intensità spettrali, H50 e H10: la prima, corrispondente a un periodo di
ritorno di 475 anni (quindi probabilità di eccedenza del 10% in 50 anni) e
all’intervallo spettrale 0.2-2 secondi, essendo associata ad un lungo periodo
di ritorno e a frequenze del moto comprese tra 0.5 e 5 Hz, è correlabile
principalmente alla possibilità che si verifichino terremoti di elevata
magnitudo ed è quindi un indicatore del possibile collasso delle strutture; la
seconda, corrispondente a un periodo di ritorno di 95 anni (quindi probabilità
di eccedenza del 10% in 10 anni) e all’intervallo spettrale 0.1-0.5 secondi,
essendo associata a un breve periodo di ritorno e a frequenze del moto
comprese tra 2 e 10 Hz, è correlabile principalmente alla possibilità che si
verifichino terremoti di magnitudo medio-bassa ed è quindi un indicatore del
possibile danneggiamento delle strutture;
nell’ambito di questo progetto, nella fase preliminare finalizzata alla selezione delle aree di studio, sono state sviluppate (Romeo et al., 2000) delle mappe in termini di picco di velocità (PGV) con probabilità di superamento del 10% in 50 anni: a differenza del picco di accelerazione, il PGV sembra meglio correlabile all’energia trasmessa alle strutture dal moto del terreno ed essendo poco sensibile allo spessore dei terreni soffici, permette di tener conto dell’effetto amplificativo degli strati alluvionali in base ad una descrizione della geologia di superficie, senza dover distinguere tra alluvioni sottili e profonde. Le mappe sono state quindi prodotte sia per il PGV al bedrock che tenendo conto dell’effetto della geologia di superficie; tali parametri sono stati valutati anche a livello comunale, considerando la litologia prevalente nel centro storico di ciascun comune.
la citata Ordinanza n.3274 ha portato alla redazione (Gruppo di Lavoro, 2004) della più recente mappa di pericolosità sismica del territorio nazionale, redatta in termini di accelerazione massima orizzontale su suolo rigido con probabilità di eccedenza del 10% in 50 anni.
2. Valutazione della pericolosità a scala regionale
Un’analisi di pericolosità sismica a scala nazionale o regionale, per quanto basata su buoni dati di origine e ottenuta con metodologie sofisticate, non può tener conto della variabilità spaziale del moto del terreno a scala locale, ad esempio nell’ambito di un territorio comunale: essa fornisce quindi solo il dato di base che andrà differenziato in seguito allo studio dettagliato del sito di interesse, intendendo per sito il luogo su cui sorge il bene monumentale considerato.
In conformità alla normativa europea (CEN, 2001) ed italiana (Ordinanza PCM del 20.03.03 n.3274), si suggerisce di utilizzare come parametro descrittivo della pericolosità sismica a scala regionale il valore di picco di accelerazione (PGA) al bedrock, corrispondente a un periodo di ritorno di 475 anni che può essere:
l’accelerazione orizzontale massima prevista
dalla normativa italiana per il comune in cui si trova il sito in esame;
il valore di PGA al bedrock stimato per il comune da un’analisi di pericolosità; in tal caso si può fare riferimento a:
dati di bibliografia - attualmente si suggeriscono quelli del citato lavoro del SSN-GNDT, disponibili a livello comunale su CD-ROM allegato alla pubblicazione. Quelli relativi alla mappa di pericolosità del 2004 sono disponibili in rete:
http://zonesismiche.mi.ingv.it/mappa_ps_apr04/italia.html
risultati di un’analisi di pericolosità specifica per il sito in esame, qualora l’importanza del bene renda necessario un tale impegno.
La stima del PGA al bedrock è comunque solo il primo passo nella valutazione dell’input sismico per il bene in esame; la comunità scientifica è ormai consapevole che questo valore di picco è poco significativo come indicatore del moto del terreno in relazione al danno alle strutture: poiché i beni monumentali possono essere unici e quindi avere caratteristiche non sempre riconducibili a quelle dell’edilizia civile, si suggerisce di utilizzare comunque uno spettro di accelerazione o velocità, che potrà essere:
lo
spettro elastico previsto dalla normativa italiana in base alla zona sismica
di appartenenza del comune in cui si trova il sito (valutato per un suolo di
categoria A);
uno spettro ad hazard uniforme ottenuto da un’analisi di pericolosità di tipo probabilistico a scala regionale o nazionale: come nel caso del PGA, questo può essere un dato di bibliografia (anche se attualmente non sono disponibili spettri ad hazard uniforme per tutti i comuni italiani) o il risultato di uno studio specifico per l’area in esame[1].
In accordo con quanto precedentemente detto, anche nel caso dello spettro un’analisi a scala regionale non può che fornire un dato di riferimento al bedrock, relativo all’area in cui ricade il sito considerato: le eventuali modifiche di livello o di forma dello spettro, dipendenti dalle specifiche condizioni locali, saranno oggetto del capitolo successivo.
[1]
In ogni caso lo spettro dovrà essere coerente con lo spettro della normativa
(vedi decreto 3274 marzo 2003)
3. Valutazione della pericolosità a scala locale
3.1 inquadramento geolitologico locale
Le condizioni geologiche locali possono modificare lo spettro delle onde sismiche incidenti. In particolare questi effetti sono più marcati quando strati con bassa velocità di propagazione sono sovrapposti a un basamento a più alta velocità, oppure in presenza di brusche variazioni laterali della struttura geologica del sottosuolo, o di irregolarità topografiche.
La normativa prevede l’applicazione di coefficienti moltiplicativi per suoli diversi. Lo spettro elastico deve essere calcolato in funzione del tipo di terreno (Ordinanza 3274, marzo 2003), sulla base di una classificazione dei suoli dipendente da uno dei parametri Vs30 (velocità onde di taglio media nei primi 30 metri), Nspt (resistenza penetrometrica) e Cu (coesione non drenata). Il valore dell’ordinata spettrale S, e le ascisse dello spettro TB e TC, riflettono rispettivamente l’entità dell’effetto amplificativo e la larghezza di banda interessata dall’amplificazione, in funzione delle categorie di suolo A,B,C,D,E.
In caso di manufatti di particolare pregio (il cui valore giustifichi indagini di maggiore dettaglio) possono essere effettuati studi diretti per la valutazione dell’effetto locale.
Le indagini previste in tali studi di dettaglio sono:
3.1 inquadramento geolitologico locale:
Deve rappresentare tutti i litotipi presenti nell’area ed i loro rapporti stratigrafici, individuando, ove possibile, il bedrock. Devono essere indicate le strutture tettoniche e l’eventuale presenza di rocce con proprietà meccaniche molto deteriorate, in particolare fasce milonitiche, (vedi ENEA-INGV-ROMATRE: “Microzonazione del sito di Cerreto di Spoleto”, allegato alla relazione di sintesi del programma di ricerca, linea di attività A). La cartografia dovrà essere in scala compresa tra 1:2000 e 1:10000 in ragione dalla complessità geologica dell’area investigata.
3.2 rilevamento geomorfologico:
Deve indicare tutti i fattori di carattere geomorfologico che potrebbero essere causa di fenomeni di amplificazione locale (creste, bordi terrazzo, culminazioni, valli molto incise, etc.). A supporto di questo rilevamento sarebbe opportuno eseguire anche una interpretazione fotogeologica dell’area. Per la cartografia vale quanto detto per il rilevamento geolitologico.
3.3 rilevamento idrogeologico:
Occorre verificare se nel sito sono presenti di strati superficiali di litotipi suscettibili di liquefazione (tramite misure piezometriche ed eventualmente caratterizzazione della granulometria e della densità del litotipo). Nel caso questi siano presenti deve essere condotta una indagine idrogeologica di dettaglio che permetta la ricostruzione del livello di falda ogni due metri. Per ulteriori specifiche si veda il fascicolo IV delle Linee Guida.
3.4 indagini geotecniche:
La determinazione dei parametri geotecnici può essere effettuata a diversi livelli di dattaglio (down-hole, cross-hole, SASW, sismica a rifrazione, sismica a riflessione, etc.). Un’ampia descrizione di tali tecniche è riportata nel fascicolo IV delle Linee Guida.
La disponibilità di registrazioni accelerometriche (almeno 3 secondo la vigente normativa) ottenute in prossimità del sito o in condizioni analoghe di sorgente e di sito può permettere una valutazione deterministica dello spettro di risposta (vedi nota 1 del § 2).
Il ricorso alla modellazione numerica è consigliabile per monumenti di particolare rilevanza, qualora si disponga di una dettagliata informazione sulla struttura del sottosuolo. Analogamente, l’utilizzo di reti sismiche permanenti o temporanee richiede un notevole investimento, ma può essere di grande utilità quando si vuole diminuire l’incertezza sui parametri che caratterizzano la risposta del sito. Tali reti potrebbero inoltre risultare particolarmente utili per lo studio di fenomeni non previsti dall’attuale normativa, che tuttavia possono contribuire in modo significativo all’amplificazione del moto sismico (irregolarità topografiche, canalizzazione in zona di faglia, presenza di corpi diffrattori non affioranti etc.).
Le ricerche effettuate nell’ambito del presente programma hanno fornito indicazioni sulla efficacia dei diversi approcci (vedi ENEA-INGV-ROMATRE: “Microzonazione del sito di Cerreto di Spoleto”, allegato alla relazione di sintesi del programma di ricerca, linea di attività A). In particolare il metodo del confronto con un sito di riferimento fornisce delle indicazioni puntuali dei coefficienti di amplificazione e delle frequenze proprie dei siti, in zone di frequente sismicità, pur limitandosi a stime effettuate con registrazioni di basso contenuto energetico (risposta lineare del suolo). Le modellazioni numeriche richiedono una definizione delle geometrie e dei contrasti dell’impedenza sismica di difficile ricostruzione se non con elevato dispendio di risorse. Interessante è la tecnica che utilizza il rumore ambientale per la stima della funzione di trasferimento, tuttavia la mancanza di una chiara base teorica suggerisce di attendere ulteriori conferme della validità del metodo (il metodo a volte sembra in grado di individuare la frequenza di risonanza del suolo, quasi mai l’effettivo valore dell’amplificazione).
Bibliografia
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Scandone P., Patacca E., Meletti C., Bellatalla M., Perilli N. & Santini U. (1991) Struttura geologica, evoluzione cinematica e schema sismotettonico della penisola italiana. Atti Convegno GNDT 1990 1, Pisa.
Glossario
Intensità macrosismica
- è un indice assegnato in base alla descrizione degli effetti del terremoto
sulle persone, sugli oggetti, sulle costruzioni e sull’ambiente: non si tratta
di una misura, ma di una classificazione fatta secondo scale empiriche
qualitative e quindi avente una notevole componente soggettiva. La scala più
utilizzata in Italia è la MCS (1930). La scala europea più recente è la MSK-98 (Grunthal
ed., 1998). Poiché nella sua definizione si prende in esame la percentuale di
edifici danneggiati o distrutti, l’intensità macrosismica è sempre
rappresentativa di un’area più o meno estesa e quindi non può essere un dato
puntuale (ad esempio relativo ad una singola struttura). Inoltre l’intensità non
misura effettivamente la pericolosità sismica, ma piuttosto l’interazione tra il
terremoto e l’ambiente, inteso nel senso più generale: essa è quindi già
parzialmente comprensiva degli effetti di sito e della vulnerabilità dei
manufatti.
Intensità spettrale di Housner (SI) - è definita come l’area sottesa dallo spettro di risposta della pseudovelocità al sito in un dato intervallo di frequenza.
Picco di accelerazione (PGA) – si ottiene dall’accelerogramma corretto. E’ il parametro di moto del terreno fino ad oggi più comunemente utilizzato nelle analisi di pericolosità sismica, perché è immediatamente leggibile dall’accelerogramma corretto e la maggior parte delle relazioni di attenuazione è basata su di esso; la comunità scientifica però concorda ormai nel considerare questo parametro poco significativo come indicatore del moto del terreno e del danno alle strutture, in quanto esso è generalmente associato ad un impulso ad alta frequenza. Oltretutto, proprio perché è legato alle componenti ad alta frequenza della registrazione, è molto sensibile al modo in cui essa viene corretta.
Picco di accelerazione efficace (EPA) - è definito come la media dei valori di accelerazione spettrale nell’intervallo 0.1-0.5 s ed è considerato rappresentativo della parte dominante dello spettro di risposta.
Picco di velocità (PGV) – si ottiene per integrazione numerica dall’accelerogramma corretto. A differenza del picco di accelerazione, sembra meglio correlabile all’energia trasmessa alle strutture dal moto del terreno. Inoltre, secondo le relazioni di attenuazione stimate per l’area italiana (Sabetta & Pugliese, 1987), il PGV è poco sensibile allo spessore dei terreni soffici, quindi permette di tener conto dell’effetto amplificativo degli strati alluvionali in base ad una descrizione della geologia di superficie, senza dover distinguere tra alluvioni sottili e profonde (difficili da riconoscere, almeno su una carta geologica a larga scala).
Valori spettrali - sono parametri particolarmente indicati quando l’analisi è finalizzata allo studio di manufatti, in quanto si possono andare a prendere in esame le frequenze a cui essi risultano più sensibili.
Nel calcolo della pericolosità sismica a scala nazionale è stata presa in esame sia l’accelerazione spettrale (SA) relativa al periodo di 0.2 s, considerata rappresentativa del contributo della sismicità locale, più frequente e di intensità intermedia, che quella relativa al periodo di 1 s, considerata rappresentativa del contributo della sismicità elevata e poco frequente.
Spettro di risposta ad hazard uniforme - è uno dei possibili risultati di un’analisi probabilistica di hazard sismico e riporta i valori attesi di un parametro di moto (accelerazione, velocità o spostamento) in funzione della frequenza del moto, per assegnati periodi di ritorno o probabilità di eccedenza. Si ottiene a partire da relazioni di attenuazione spettrali del parametro di moto (una relazione per ciascuna frequenza), interpolando i valori puntuali del parametro stimati per le varie frequenze da successive elaborazioni del codice di calcolo della pericolosità.
Bibliografia relativa
MCS (1930) Mercalli-Cancani_Sieberg macroseismic scale. In: Sieberg A., Geologie der Erdbeben, Handbuch der Geophysic, Tab. 2, 3. Berlin.
Grunthal G. Ed. (1998) European macroseismic scale 1998. Cahiers du Centre Européen de Géodynamique et de Séismologie, n.15.
Gruppo di Lavoro (1999) Proposta di riclassificazione sismica del territorio nazionale. Ingegnaria Sismica 14/1, 5-14.
Sabetta F. & Pugliese A. (1987) Attenuation of peak horizontal acceleration and velocità from Italian strong-motion records. BSSA 77, 1491-1513.