La pericolosità sismica è rappresentata dalla probabilità con cui diversi livelli di scuotimento del terreno possono verificarsi ad un sito di interesse durante un periodo di riferimento (solitamente un anno). Poiché il reciproco della probabilità annuale rappresenta il periodo medio di ritorno, la pericolosità sismica può essere anche rappresentata in modo duale in termini di valori di scuotimento attesi al sito per vari livelli di periodo di ritorno. La mappa di pericolosità sismica integra su base territoriale le valutazioni ottenute per una griglia regolare di siti distribuita sul territorio. Queste mappe rappresentano il primo, fondamentale passo per la valutazione del potenziale danno sismico ad opere civili, industriali ed infrastrutturali.

Le metodologie convenzionali per il calcolo delle mappe di pericolosità sismica di solito trascurano gli effetti di amplificazione locale dovuti al terreno. D’altra parte è noto che tali effetti possono talvolta, in presenza di terreni soffici, amplificare o deamplificare l’intensità del moto sismico a diverse frequenze fino ad oltre il 500%. Quando raramente vengono inclusi, tali effetti sono stimati in modo approssimato in quanto si considera che al sito siano presenti terreni generici di media consistenza con conseguente ricaduta sull'attendibilità dei risultati ottenuti.

Caratteristiche generali
In questo progetto è stata utilizzata una procedura probabilistica che consente di incorporare tutte le informazioni a disposizione sulle tipologie di terreno locali e di usarle opportunamente per migliorare l’accuratezza della stima della pericolosità sismica rispetto a quella ottenuta usando dati medi per il suolo locale.

La procedura sviluppata da Geodeco si basa sui seguenti punti principali:

1) L’amplificazione locale dipende dalle caratteristiche statiche e dinamiche della formazione di terreno (ad esempio, lo spessore e la composizione degli strati, la presenza e la profondità della falda, l’età della formazione geologica, la velocità delle onde di taglio nei primi strati, etc.). Miriadi di differenti composizioni di terreno sono in teoria possibili ed a rigore ognuna possiede le proprie caratteristiche amplificative. Tra tutte le caratteristiche del terreno alcune influenzano maggiormente il fenomeno amplificativo. Chiameremo qui le prime parametri principali e le seconde parametri secondari. Nella pratica, tuttavia, non sempre la qualità dei dati sulla tipologia di terreno locale è sufficientemente elevata (come ad esempio succede nel caso di indagini geotecniche che vengono eseguite per l’erezione o la modifica di strutture di una certa importanza) da fornire tutti i valori dei parametri del suolo più importanti. Spesso la qualità delle informazioni è più scarsa e alcuni dati sono mancanti. A volte addirittura l’unica informazione disponibile è la carta geologica di superficie. Quando i parametri principali non sono noti in modo diretto essi possono tuttavia essere stimati sulla base dei parametri principali disponibili dai dati di indagini geotecniche per siti con condizioni geologiche simili. Per fare ciò è necessario produrre delle funzioni correlative tra i dati geotecnici disponibili nella banca dati e altri parametri secondari quali i dati geologici. Tali funzioni correlative sono state sviluppate nell’ambito del progetto. Chiameremo questo modulo caratterizzazione del sito. Ricapitolando, il primo modulo consiste nella stima delle caratteristiche del terreno rilevanti per l’amplificazione del moto sismico ad ogni sito considerato sul territorio. La stima avviene in modo diretto quando dati geotecnici sono disponibili per il sito ed in modo indiretto, sulla base di dati geotecnici in terreni geologicamente simili, quando tali indagini sono assenti.

2) Uno degli output del primo modulo consiste nell’identificazione dei parametri principali che dominano il fenomeno di amplificazione del terreno. Ogni combinazione plausibile di tali parametri rappresenta una diversa colonna di terreno. Nel secondo modulo viene identificato un set di combinazioni dei parametri principali ognuna delle quali identifica quella che chiameremo una formazione di terreno pilota. Gli effetti di amplificazione sismica locale per diverse tipologie di terreno pilota vengono stimati in modo accurato tramite analisi dinamiche non lineari del terreno condotte applicando una serie di sismogrammi opportunamente selezionati. La procedura sviluppata, a differenza di quanto solitamente eseguito nella pratica corrente, permette di tenere conto anche di eventuali fenomeni di mobilità ciclica e liquefazione che possono avvenire nei terreni saturi durante il sisma. Per ogni tipologia di terreno pilota sono state ottenute funzioni di amplificazione per vari parametri di scuotimento (ad esempio, accelerazione di picco del suolo, accelerazione spettrale a varie frequenze, etc.). Queste funzioni amplificative dipendono dall’intensità accelerativa incidente il substrato roccioso su cui posa la formazione di terreno. Da questo insieme di funzioni di amplificazione così ottenute sono state derivate superfici di risposta le cui variabili di input sono rappresentate proprio dai parametri principali individuati al punto 1. L’accorpamento di tali funzioni amplificative in superfici di risposta permette, data la conoscenza (o la stima) dei parametri principali della colonna di terreno presente al sito, di stimare le funzioni di amplificazione per diversi parametri di scuotimento mediante interpolazione delle superfici stesse e quindi senza eseguire analisi dinamiche come quelle utilizzate per i terreni pilota. Chiameremo questo modulo valutazione degli effetti di amplificazione locale.

3) Come si è detto, per ogni tipologia di terreno la procedura espressa al punto 2 determina le funzioni di amplificazione per ogni possibile colonna di terreno. Queste funzioni esprimono il rapporto tra il moto sismico alla superficie e quello al substrato roccioso per diverse frequenze di oscillazione e per diverse intensità di scuotimento alla base. Pertanto il moto sismico alla superficie di una formazione di terreno è noto qualora sia noto il moto sismico al substrato roccioso. Quest'ultimo viene tradizionalmente calcolato sulla base della distanza tra sito e sorgente sismica e della magnitudo del terremoto per via delle cosiddette leggi di attenuazione su roccia. Le funzioni amplificative individuate al punto 2 possono essere espresse come fattori correttivi da applicarsi all’intensità del moto incidente il substrato roccioso per ottenere l’intensità dello scuotimento alla sommità della formazione di terreno. L’applicazione di questi termini correttivi permette di sviluppare in maniera efficiente leggi di attenuazione specifiche per la tipologia di terreno locale. Queste leggi permettono una stima più accurata dello scuotimento alla superficie della specifica formazione di terreno rispetto a quella ottenuta tramite le leggi per suolo generico che talvolta vengono usate nelle metodologie convenzionali. Alternativamente l’effetto di amplificazione di un determinato sito può essere introdotto mediante una procedura di convoluzione, che consente di modificare opportunamente le curve di pericolosità calcolate in roccia. È importante notare che le leggi di attenuazione su roccia per l’Italia, ottenute sulla base di registrazioni di terremoti storici, sono già disponibili e non sono state sviluppate in questo progetto.

La pericolosità sismica viene stimata per una griglia di siti che coprono l’area territoriale prescelta. Ad ogni sito la pericolosità viene valutata in modo probabilistico considerando tutti i possibili terremoti futuri (dell’ordine di centinaia di migliaia). Ad ognuno di essi è associata una magnitudo, un epicentro (oppure una superficie di rottura se le dimensioni della faglia sono note) e la frequenza annuale di occorrenza dell’evento. La frequenza di occorrenza e la magnitudo dell’evento e la sua localizzazione sono noti sulla base dei cataloghi storici e di considerazioni statistiche. Lo scuotimento indotto alla superficie del suolo al sito per ogni terremoto considerato viene valutato applicando la legge di attenuazione specifica per quel sito che è stata ottenuta come descritto precedentemente. La ripetizione di questo processo per la griglia di siti produce le mappe desiderate. Tali mappe, che vengono prodotte per parametri di scuotimento del terreno più idonei per la stima di danno strutturale (ad esempio, accelerazione di picco alla superficie del terreno oppure accelerazione spettrale a diverse frequenze di oscillazione) sono calcolate mediante interpolazione dei valori ottenuti per la griglia di siti considerati.

È importante sottolineare che le mappe di scuotimento che includono gli effetti di amplificazione locale ottenute in questo progetto rispondono a domande quali: “Qual è lo scuotimento atteso sul territorio in media una volta ogni, ad esempio, 475 anni?”, oppure, “Ogni quanti anni una accelerazione orizzontale di picco pari, ad esempio, al 30% della gravità si verifica sul territorio considerato?”. Queste mappe, che sono fondamentali per la stima del danneggiamento strutturale su base territoriale, non sono ad oggi disponibili per l’Italia.

La metodologia sviluppata consente di tenere conto in modo esplicito dell'incertezza associata ai parametri che governano il comportamento del terreno, e che controllano l’amplificazione delle onde sismiche. Questo fatto la rende particolarmente adatta ad un uso su ampie zone di territorio, dove i dati geologici e geotecnici disponibili sono necessariamente limitati.

Principali Prerogative del Metodo

• Adotta procedure avanzate per l’analisi della pericolosità in roccia;
• Adotta procedure avanzate per l’analisi degli effetti di amplificazione locale;
• Integra gli effetti di amplificazione locale nell’ambito della procedura probabilistica;
• Può essere utilizzata anche in casi in cui la conoscenza dei terreni è limitata.

Pericolosità Sismica in Roccia

• Può considerare più zonazioni sismiche alternative;
• Può considerare più leggi di attenuazione alternative;
• Può considerare più serie di parametri alternativi per la funzione di Gutenberg-Richter;
• Può fornire la magnitudo più probabile dell’evento mediante deaggregazione in magnitudo e distanza

Amplificazione Locale

• E’ effettuata mediante un modello numerico con legge costitutiva non lineare;
• Tiene conto in modo esplicito degli effetti di mobilità ciclica sulla risposta del sito;
• Consente di esplorare l’effetto dell’incertezza dei parametri del terreno sulla risposta del sito.

Ulteriori Vantaggi del Metodo

• Il sistema presentato è applicabile anche a situazioni dove il livello di conoscenza dei terreni è modesto.
• La classificazione dei siti in funzione della frequenza fondamentale elastica del deposito e di poche altre caratteristiche tipologiche (ad esempio argillosi/sabbiosi), ancorché semplificata, consente l’applicazione del metodo su vasta scala.
• In molti casi il sistema può beneficiare in modo significativo di indagini speditive di superficie da condurre su scala territoriale (ad es. H/V da microtremori). 
• Le incertezze epistemiche sono messe in conto e i risultati possono essere ottenuti per diversi livelli di confidenza.
• Il sistema fornisce inoltre la deaggregazione in distanza e magnitudo, utile ad es. negli studi di scenario e nelle analisi di liquefazione dei terreni.