I diversi modelli di pericolosità sono davvero diversi?

L’analisi probabilistica della pericolosità sismica (APPS) è ampiamente utilizzata in tutto il mondo come metodo razionale per quantificare l’incertezza associata al verificarsi e agli effetti dei terremoti.

Quando la APPS viene eseguita per un intero paese, i suoi risultati sono tipicamente sotto forma di mappe delle intensità del moto del suolo che sono tutte superate con lo stesso periodo di ritorno.

La APPS classica si basa su dati che aumentano continuamente grazie al monitoraggio sismico strumentale e su modelli che si evolvono continuamente grazie alla ricerca.

Può quindi accadere che diversi studi di pericolosità per la stessa regione, tutti legittimi, possano mostrare differenze apparentemente inconciliabili, innescando dibattito.

La discussione è complicata dal fatto che lo scuotimento di interesse è intenzionalmente raro (i.e., lunghi periodi di ritorno), impedendo così la validazione empirica della frequenza di superamento in qualsiasi specifico sito.

Un recente studio, perseguendo invece un approccio che mette insieme osservazioni di scuotimento a molti siti grazie al monitoraggio continuo del territorio, ha valutato tre diversi, ma tutti autorevoli, studi di APPS per l’Italia, suggerendo che le diverse mappe di pericolosità sono, in realtà, difficilmente distinguibili alla luce delle osservazioni di scuotimento. Se ne riporta qui una sintesi.

L'analisi probabilistica della pericolosità sismica (APPS)

Esiste grande consenso sull'analisi probabilistica della pericolosità sismica (APPS) quale modo per affrontare quantitativamente la grande incertezza (i.e., mancanza di conoscenza) sulla occorrenza e sugli effetti dei terremoti.

Dato un valore di una misura dell'intensità dello scuotimento, la APPS consente di calcolare la frequenza annuale, o equivalentemente il periodo di ritorno, del superamento di tale valore, in un sito di interesse.

La principale applicazione della APPS (i.e., il motivo per cui è stata sviluppata) è quella di definire le azioni sismiche per la progettazione strutturale, con l'obiettivo di controllare la sicurezza delle costruzioni.

In questo caso, l’analisi di pericolosità è spesso condotta in modo centralizzato a livello nazionale e i suoi risultati sono tipicamente espressi sotto forma di mappe che forniscono le intensità del moto del suolo nei siti, che vengono tutte superate con lo stesso periodo di ritorno (il reciproco della frequenza di superamento).

Le norme per le costruzioni in Italia seguono questo approccio e hanno, quale allegato, proprio i risultati di una APPS, come richiamato nel seguito.

La APPS classica si basa almeno su tre categorie di dati e altrettanti componenti principali:

1. un catalogo con posizione, data e magnitudo dei terremoti passati (o informazioni equivalenti che possono essere dedotte da altre fonti);
2. un modello per le sorgenti sismiche, per esempio, come zone geologicamente omogenee in cui possono verificarsi terremoti (eventualmente accompagnati da singole faglie, se disponibili);
3. un modello di moto del suolo (MMS), per legare probabilisticamente la magnitudo e localizzazione del terremoto, e altre covariate, all’intensità dello scuotimento.

Bisogna anche ricordare che, sebbene i terremoti si verifichino raggruppati sia nel tempo che nello spazio (sequenze o sciami di terremoti), la APPS contempla solo l'evento di magnitudo più grande di ciascun gruppo, le cosiddette scosse principali (o mainshock), per motivi di modellazione probabilistica e di completezza dei dati nel catalogo dei terremoti. Inoltre, vengono considerate solo le scosse principali al di sopra di una magnitudo minima di interesse.

L’importanza della valutazione dei modelli di pericolosità

A causa della rapida evoluzione delle reti di monitoraggio sismico, che porta a un aumento esponenziale del numero di terremoti registrati, e i continui risultati della ricerca, gli studi di pericolosità vengono aggiornati relativamente spesso.

Anche per questo motivo, la questione della validazione empirica delle mappe di pericolosità sismica è importante, dato l’impatto che hanno nel paese in cui vengono applicate.

Tuttavia, le intensità del moto del suolo di interesse per le applicazioni di ingegneria sismica sono quelle associate a periodi di ritorno relativamente lunghi, per dimensionare le strutture (e quindi la sicurezza) rispetto a eventi relativamente rari.

Pertanto, è tipico che i periodi di ritorno dedotti dalla APPS non possano essere valutati in base alle osservazioni di scuotimento, poiché la storia sismica disponibile è – praticamente sempre – ampiamente insufficiente, se non del tutto assente, a ciascun sito.

Inoltre, le mappe di pericolosità sono spesso messe in discussione ogni volta che a un dato sito si osserva un superamento dei valori di scuotimento mappati. Si sostiene spesso che questi superamenti siano troppo frequenti, anche se la ricerca ha chiarito che spesso si tratta di un’illusione e che, quando si verificano terremoti di magnitudo da moderata a elevata, è connaturato alla APPS che le intensità fornita delle mappe di pericolosità siano superate in un’area attorno all’epicentro, la cui dimensione dipende dalla magnitudo dell'evento e del periodo di ritorno a cui si riferisce la mappa (si veda a tale proposito l'articolo su PROGETTAZIONE SISMICA n.3/2017 ).

Le critiche derivano anche dal fatto che il verificarsi di terremoti sulle faglie può seguire un processo (stocastico) di ricorrenza che si discosta da quello senza memoria della APPS classica, sebbene sia stato dimostrato come ciò non sia generalmente una limitazione, soprattutto nel caso di zone sorgente di grandi dimensioni.

Infine, potrebbe darsi che, per la stessa area, siano disponibili diverse mappe di pericolosità autorevoli, sviluppate all’incirca nello stesso periodo, per cui la superiorità dell’una rispetto alle altre non può essere basata esclusivamente sul fatto che una è più aggiornata, mentre i complessi alberi logici con migliaia di rami, attraverso cui si sviluppano gli studi di APPS al giorno d’oggi, complicano l’approfondimento atto a valutarne qualità.

Questi problemi possono generare sfiducia nei confronti della APPS, anche in parte della comunità scientifica e, soprattutto, in coloro che applicano gli studi di pericolosità.

Questa è una situazione che potrebbe verificarsi in Italia, dove lo studio di pericolosità sismica alla base delle norme per la progettazione strutturale, di seguito MPS04, risale a circa vent'anni fa.

Recentemente, c’è stato lo sviluppo di un nuovo modello nazionale, di seguito indicato come MPS19, originariamente candidata a sostituire MPS04.

Un terzo modello recente, che può essere indicato come ESHM20, sviluppato per tutta l'Europa, è stato scelto per accompagnare la seconda generazione dell'Eurocodice 8, lo standard di progettazione europeo, che sarà emanato nei prossimi anni.

Le mappe risultate da questi studi di APPS mostrano differenze che secondo alcuni sono ampie, soprattutto in alcune aree del paese.

Ciò è mostrato nella Figura 1 che fornisce le mappe di accelerazione di picco al suolo (PGA) con periodo di ritorno del superamento (T_r ) pari a 475. Le differenze osservate stanno provocando un dibattito riassunto qui in questi articoli "Il percorso a ostacoli della nuova mappa sismica italiana", "La nuova mappa sismica dell'Italia torna al punto di partenza").

Lo studio qui riassunto

L'Italia è dotata di una rete di monitoraggio sismico ormai molto fitta, costituita da diverse centinaia di stazioni di registrazione.

Il monitoraggio sistematico dell'attività sismica va avanti fin dai primi anni Settanta e da allora è possibile trovare numerose stazioni che hanno funzionato ininterrottamente per la maggior parte del tempo.

Sulla base dei dati empirici del monitoraggio sismico, uno specifico studio ha valutato se gli eventi sismici osservati, e i conseguenti superamenti dell’intensità del movimento del suolo, sono compatibili con quanto previsto dai tre diversi modelli di APPS discussi sopra.

A tal fine si sono eseguiti formali test d’ipotesi atti a confrontare il numero di superamenti osservati con quanto previsto (in senso probabilistico) da ciascuno dei modelli.

Poiché è quasi impossibile raccogliere dati sufficienti per intraprendere questo compito in qualsiasi sito specifico della regione a cui fa riferimento la mappa, poiché richiederebbero molte migliaia di anni di registrazione continua, i test sono stati effettuati unendo i dati delle stazioni di registrazione che hanno operato più a lungo nel paese.

Questo perché, se i modelli utilizzati per sviluppare la mappa testata sono utilizzati per ottenere la distribuzione di probabilità del numero totale di superamenti in diversi siti nel tempo, allora possono essere sufficienti dati provenienti da periodi di osservazione molto più brevi. Pertanto, i risultati dei test condotti non si applicano ad alcun sito specifico, ma piuttosto in generale alla scala nazionale a cui la mappa fa riferimento.

Lo studio ha considerato – per ciascun modello di APPS – dodici mappe di pericolosità su roccia (classe di suolo A secondo l'Eurocodice 8 e le Norme Tecniche per le Costruzioni). Esse si riferiscono a quattro periodi di ritorno del superamento tre misure di intensità dello scuotimento. Tuttavia, ai fini di questa sintesi si riportano i risultati solo la PGA relativa a T_r=475yr.

Dati utilizzati per la valutazione

La più grande rete di monitoraggio sismico in Italia è la Rete Accelerometrica Nazionale (RAN) e, nella sua configurazione attuale, è costituita da più di cinquecento stazioni.

Tutte le forme d'onda registrate dalla RAN, insieme a quelle provenienti da altre reti accelerometriche, sono raccolte e rese disponibili dall'Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) attraverso lo Italian Accelerometric Archive.

L’INGV ha fornito agli autori le 143 stazioni di registrazione della RAN che hanno lavorato più a lungo, raccogliendo complessivamente dati dal 1973 al 2019. Per la maggior parte delle stazioni, il tempo di funzionamento, cioè l'intervallo di tempo tra l'anno di installazione e quello di rimozione, è compreso tra 40 e 45 anni, e per alcune di esse si avvicina ai 50 anni. Per ciascuna di queste stazioni era disponibile anche il valore massimo registrato di PGA orizzontale per ciascun anno di funzionamento.

La Figura 2(a) mostra gli epicentri delle scosse principali di magnitudo superiore a M3.7, avvenute in Italia dal 1973 al 2019, secondo il Catalogo Parametrico dei Terremoti Italiani . La Figura 2(b) mostra la posizione delle 143 stazioni di registrazione considerate, e la sfumatura di grigio indica l'intervallo, in termini di numero di anni, di funzionamento.

Confrontando i dati di PGA disponibili per le stazioni considerate con le soglie di PGA associate dalle diverse mappe di pericolosità nei siti delle stazioni, è possibile contare i superamenti osservati durante il periodo di funzionamento delle stazioni. (Le soglie su roccia sono state adeguate alle condizioni del sito delle stazioni tramite opportuni fattori di amplificazione di suolo).

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