Gli accelerogrammi rappresentano fedelmente il moto del terreno durante un terremoto?

In tempi recenti, il verificarsi di un forte terremoto è immediatamente seguito dalla diffusione nei social, e in report tecnici, degli accelerogrammi con la massima PGA e degli spettri di risposta che da questi derivano. Contestualmente, ad ogni evento si riapre il dibattito sulla possibile sottostima a livello normativo della componente verticale del moto.

Esiste però un problema di fondo sul quale probabilmente non ci si interroga abbastanza: le registrazioni sismiche sono davvero una rappresentazione fedele del moto del terreno, nella banda di frequenze di interesse per l’ingegneria?

Stazioni sismiche: dalle origini ad oggi

Agli albori della sismologia strumentale, le stazioni sismiche venivano poste rigorosamente su roccia, poiché era riconosciuto che i terreni sciolti provocassero disturbi, al tempo non pienamente comprensibili, nelle registrazioni (Bormann, 2002).

L’interesse della sismologia, a quei tempi, non era tanto orientato alle ricadute ingegneristiche quanto ai problemi aperti della sismologia, ossia la localizzazione degli ipocentri, la determinazione della magnitudo, la comprensione del meccanismo di sorgente sismica (la faglia) e dei percorsi effettuati dalle onde sismiche. In altri termini, problemi a frequenze basse o molto basse.

Collocare le stazioni su sola roccia comportava però una distribuzione spaziale non ottimale della rete, così che negli anni le stazioni sismiche iniziarono ad essere ubicate su ogni tipo di terreno, continuando però a seguire le stesse regole costruttive delle stazioni in roccia. Queste prevedevano che i sismometri fossero posizionati su pilastrini di calcestruzzo affondati nella roccia oppure su fondazioni rigide, create appositamente per ospitare più strumenti.

Se da un lato tra una fondazione in calcestruzzo e una roccia si ha continuità di impedenza sismica, può dirsi lo stesso per una fondazione su un terreno sciolto?

Questo tipo di installazione può modificare il moto registrato e le grandezze derivate, tra cui la PGA e gli spettri di risposta?

La stazione sismica: il terzo incomodo tra sensore e terreno

Il ruolo della fondazione

In Italia, le stazioni sismiche più datate sono collocate all’interno di cabine elettriche di trasformazione/distribuzione.

Le stazioni nuove sono collocate tendenzialmente su pilastrini di calcestruzzo ‘isolati’ per mezzo di un taglio da una fondazione circostante e ospitano non raramente anche altri strumenti, ad esempio meteorologici (Figura 1).

Nei giorni immediatamente successivi ai terremoti vengono installate anche stazioni temporanee, in luoghi necessariamente meno controllati e noti. Nel resto del mondo i principi di installazione sono molto simili.

Uno dei principi base della fisica sperimentale è che, per non alterare il segnale, tra l’oggetto di misura e il ricevitore non vanno poste interfacce. Qualora questo non sia possibile, l’interfaccia deve essere in continuità di impedenza. Se l’interfaccia ha una impedenza maggiore (come tipicamente accade per le fondazioni sui terreni sciolti), l’ampiezza del moto trasmesso al ricevitore cala, e viceversa (Zoepprtiz, 1919).

In aggiunta, una fondazione rigida non può assecondare e descrivere fedelmente movimenti orizzontali del terreno con lunghezze d’onda inferiori a o confrontabili con le dimensioni in pianta della fondazione stessa (il che corrisponde a frequenze superiori a qualche hertz o decina di hertz; Luco et al., 1986; Bycroft, 1978 e 1980; Castellaro et al., 2022).

Questo fenomeno, esemplificato nello schema di Figura 2, si osserva facilmente nelle stazioni sismiche e si manifesta come un rapporto tra gli spettri orizzontali (H) e verticali (V) del moto, registrato dagli strumenti al loro interno, inferiore a 1 (H/V < 1) in alta frequenza.

In questi casi, è la componente orizzontale del moto ad essere depressa alle alte frequenze mentre la componente verticale è quasi inalterata.

Lo stesso rapporto acquisito su terreno naturale, immediatamente al di fuori della fondazione, torna tipicamente ad essere maggiore o uguale a 1.

In Figura 3 si riporta un esempio concreto del fenomeno appena descritto per la stazione di Mirandola, nota per aver registrato in campo vicino la prima scossa del 20 maggio 2012. Si vede molto bene come la componente verticale di quel terremoto, registrata dal sismometro collocato sul pilastrino/fondazione di Figura 1a, c, sia superiore a quelle orizzontali sopra 9 Hz (Figura 3a).

Questo è anche quanto quella stazione misura in condizioni di tremore ambientale, come si vede bene dal rapporto H/V < 1 sopra 9 Hz registrato sul pilastrino (P, curva grigia in Figura 3b).

Tuttavia, lo stesso rapporto acquisito sul terreno naturale appena al di fuori della fondazione non ha affatto queste caratteristiche (S, curva rossa in Figura 3b).

Gli strumenti posti su o circondati da fondazioni, registrano sempre un moto orizzontale attenuato in alta frequenza e il fenomeno è tanto più evidente quanto più scadente è il terreno su cui appoggiano e quanto più estesa è la fondazione in pianta (Castellaro e Mulargia, 2009).

Il fenomeno è stato osservato e modellato già a partire dalla fine degli anni ’70, tanto che le fondazioni spesse e rigide venivano tipicamente consigliate nella costruzione delle centrali nucleari, per ridurre il moto trasmesso alle strutture soprastanti (Bycroft, 1978 e 1980).

È stato inoltre mostrato da più autori che l’eventuale pilastrino di supporto dei ricevitori (Figura 1c), isolato mediante un taglio sul perimetro rispetto alla fondazione, non porta ad alcun reale beneficio perché il moto del terreno (che non ha mai la sola incidenza dal basso verso l’alto) continua ad essere alterato dalla presenza della fondazione e tale alterazione è trasmessa al pilastrino attraverso il terreno (Mucciarelli et al. 2003; Castellaro et al., 2022).

In conclusione, quando in alta frequenza si osserva una componente verticale del moto maggiore delle orizzontali, la prima domanda che ci si dovrebbe porre è se non siano le componenti orizzontali ad essere deamplificate a causa della presenza di una fondazione o di un terreno rigido artificiale.

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