Studio di Microzonazione Sismica di I Livello per un comune montano con applicazione del Metodo di Indagine HVSR

Riassunto 
 
 
In questo lavoro di tesi vengono presentati i risultati di uno studio di 
valutazione della risposta sismica locale finalizzato alla 
Microzonazione Sismica (MS) di I Livello di un comune montano; il 
lavoro è stato svolto nell'ambito di uno specifico progetto affidato alla 
Fondazione Prato Ricerche.  
La valutazione della risposta sismica locale mira all'individuazione dei 
possibili fenomeni di amplificazione del moto del suolo che si 
verificano quando la geologia superficiale è caratterizzata da forti 
contrasti di impedenza sismica. Questi fenomeni occorrono 
tipicamente nei bacini intermontani, all'interfaccia fra il basamento 
roccioso (bedrock) e la coltre sedimentaria. Una delle metodologie 
maggiormente impiegate per tali valutazioni è la tecnica HVSR 
(Horizontal to Vertical Spectral Ratio; Nakamura, 1989), basata sulla 
misura dei rapporti medi fra le ampiezze spettrali delle componenti 
orizzontali e verticale del rumore sismico ambientale (funzione H/V). I 
valori di picco della funzione H/V individuano le frequenze di risonanza 
dei terreni; l'ampiezza dei picchi è proporzionale, anche se non 
linearmente, all'entità del contrasto di impedenza sismica esistente 
all'interfaccia fra il basamento roccioso e la copertura sedimentaria. 
Dopo una prima fase di ricerca bibliografica sulle metodologie di 
indagine pertinenti la MS e la normativa di riferimento, questo lavoro 
si è articolato secondo i seguenti passi: 
1. Raccolta e analisi dei dati preesistenti, con particolare riferimento 
alle informazioni di carattere geologico e geomorfologico, la 
pericolosità di base e degli eventi di riferimento, la sismicità storica e 
le indagini geologico-geofisiche precedenti; 
2. Creazione di una banca dati georeferenziata su base 
cartografica, utilizzando un sistema informativo geografico (GIS); 
3. Esecuzione della campagna di misura per la raccolta delle 
registrazioni di rumore sismico ambientale da utilizzare per il 
successivo calcolo delle funzioni H/V; 
4. Sulla base dei risultati ottenuti al punto precedente, ricostruzione
di un modello del sottosuolo per l'abitato comunale e altri abitati minori. 
Questi risultati sono poi stati raccolti con la stesura di elaborati 
cartografici che comprendono la mappatura delle indagini svolte, la 
distribuzione spaziale delle frequenze fondamentali dei depositi, la 
definizione delle microzone omogenee in prospettiva sismica (MOPS). 
L’elaborazione dei dati ha riguardato il calcolo del Rapporto Spettrale 
H/V, e la sua modellizzazione in termini di ricostruzione di profili di 
velocità sismica. Per tale inversione, vengono presentati e confrontati 
i risultati ottenuti utilizzando due diversi codici di calcolo: il software 
Grilla® (Micromed s.p.a.), e le funzioni Matlab Model HVSR (Herak, 
2008). In particolare, la modellazione diretta dei rapporti H/V 
implementata in questi due codici si differenzia per le assunzioni 
teoriche di partenza riguardo alla composizione predominante del 
campo d’onda del noise (rispettivamente, onde di superficie contro 
onde di volume). Vengono anche presentate due funzioni di calcolo 
sviluppate nell'ambito di questo studio, una per il calcolo e la 
regolarizzazione dei rapporti H/V ottenuti da registrazioni weak motion 
ed una per il calcolo dei rapporti H/V tramite la modellazione diretta 
della risposta sismica sulla base di una determinata distribuzione dei 
parametri elastici con la profondità. Infine, vengono presentati i risultati 
ottenuti dall’analisi del noise con quelli derivati da osservazioni weak 
motion associate a terremoti di bassa energia (M < 4) registrati durante 
lo svolgimento dello studio.
3 
 
1 Introduzione 
 
 Lo studio di metodi per la valutazione del rischio sismico ha come 
obiettivo quello di migliorare le procedure di mitigazione degli effetti 
dell'evento sismico sulla popolazione. La vigente normativa sismica fa 
riferimento solo alle nuove costruzioni ed è basata sull'attuale 
classificazione sismica del territorio nazionale, suddiviso in macrozone 
con associata pericolosità di base. Tuttavia è ben noto come le 
caratteristiche locali dei terreni di fondazione condizionino in modo 
importante gli effetti del terremoto; un determinato evento sismico 
infatti può provocare scuotimenti decisamente differenti anche a 
poche centinaia di metri di distanza in dipendenza degli spessori e 
delle caratteristiche dei terreni più soffici negli strati superficiali. Negli 
ultimi terremoti avvenuti in Italia, queste differenze sono state evidenti; 
inoltre, spesso le vittime e le distruzioni si sono concentrate nei vecchi 
centri storici dove una strategia di prevenzione che opera solo sulle 
nuove costruzioni ha mostrato tragicamente i suoi limiti. La 
macrozonazione e la normativa sulle costruzioni, pur essendo di 
fondamentale importanza, possono considerarsi solo un punto di 
partenza per una politica di prevenzione e mitigazione del rischio che 
deve necessariamente prevedere l’integrazione delle zonazioni a 
larga scala con la definizione della risposta sismica locale per 
microzone caratterizzate dal tipo di comportamento atteso per un dato 
evento. E’ imprescindibile, inoltre, predisporre una politica d'intervento 
sulle costruzioni esistenti che si basi sulla relazione esistente fra le 
risposte caratteristiche degli edifici e del suolo sul quale questi 
insistono. La soluzione dovrà passare attraverso la predisposizione di 
strumenti normativi e strumenti di supporto tecnico scientifico quali si 
possono considerare gli “Indirizzi e criteri per la microzonazione 
sismica” pubblicati dal Dipartimento di Protezione Civile. Per 
microzonazione sismica (MS) si intende la “valutazione della 
pericolosità sismica locale attraverso l'individuazione di zone di 
territorio caratterizzate da comportamento sismico omogeneo”. In 
sostanza la MS individua e caratterizza le zone stabili, le zone stabili
4 
 
suscettibili di amplificazione locale del moto sismico e le zone 
suscettibili di instabilità. Il miglioramento della conoscenza prodotto 
dagli studi di MS può contribuire concretamente, insieme a studi di 
vulnerabilità ed esposizione, all'ottimizzazione delle risorse disponibili 
per interventi mirati alla mitigazione del rischio sismico. 
In questa Tesi viene descritto uno studio di MS di I livello svolto 
per un comune montano dell’Appennino Tosco-Emiliano, nell’ambito 
del quale è stata effettuata una campagna di misure di rumore sismico 
ambientale allo scopo di calcolare la risposta sismica locale tramite la 
tecnica HVSR, più nota come Metodo di Nakamura. Si tratta di un 
procedimento speditivo, economico ed affidabile che permette di 
mappare il territorio non più in conseguenza di un evento verificato ma 
in previsione di un evento atteso, in modo da poter conoscere il “modo 
di vibrare” proprio di ogni microzona per poter agire di conseguenza 
sugli edifici presenti. 
La tecnica HVSR punta all’individuazione di possibili fenomeni di 
risonanza sismica ed alla determinazione delle corrispondenti 
frequenze di vibrazione attraverso la misura dei rapporti medi fra le 
ampiezze spettrali delle componenti orizzontali e verticale del rumore 
sismico ambientale (funzione H/V). Le frequenze di risonanza 
corrispondono ai massimi di tale funzione e l'ampiezza di questi 
massimi è proporzionale (anche se non linearmente) all'entità del 
contrasto di impedenza sismica esistente alla base della copertura 
sedimentaria. In questo lavoro di tesi, la tecnica viene applicata anche 
a registrazioni weak motion di terremoti locali registrati durante la 
campagna di acquisizione dati. Le funzioni H/V (ottenute sia dal 
rumore ambientale che da terremoti) possono poi essere invertite per 
ricavare un modello di distribuzione di velocità delle Onde S nella 
copertura sedimentaria. Questo argomento verrà approfondito tramite 
l’utilizzo di diversi algoritmi di calcolo reperiti in letteratura, 
confrontandone i risultati ottenuti. Infine si presentano due codici di 
calcolo sviluppati per regolarizzare il calcolo della funzione H/V, e per 
effettuarne la predizione (soluzione del problema diretto) sulla base di 
un modello parametrico del sottusuolo.
5 
 
 
 
 
 
 
2 LA TECNICA HVSR  
 
 Per utilizzare questa tecnica è richiesta innanzitutto la 
registrazione del rumore sismico ambientale secondo le tre 
componenti del moto del suolo. Questo tipo di misura è passiva, 
ovvero la sorgente non viene attivata artificialmente, ma consiste nel 
rumore ambientale proveniente in maniera casuale da ogni direzione 
e su un’ampia banda di frequenza. La struttura del campo d'onda del 
rumore sismico ambientale (detto anche microtremore o seismic 
noise) è condizionata sia dalle caratteristiche delle sorgenti (siano 
esse naturali, come le onde marine, o antropiche, come il traffico 
veicolare) e dalle proprietà meccaniche dei terreni. Infatti, ciascuna 
sorgente genera un treno d'onde che raggiunge il punto di misura con 
caratteristiche che dipendono dall'entità delle sollecitazioni nelle 
componenti orizzontali e verticali del moto e dalle modalità di 
propagazione fra la sorgente e il sito in funzione dei fenomeni di 
riflessione, rifrazione e diffrazione che hanno luogo in corrispondenza 
di variazioni delle proprietà elastiche dei terreni nel sottosuolo. In 
genere, nel campo d’onda del rumore ambientale, saranno presenti 
sia onde di volume (P ed S in quantità variabili) che onde superficiali 
(Love e Rayleigh), la composizione del campo d’onda viene 
approfondita nel capitolo 2.4. La frazione di energia associata alla 
componente di onde di volume rispetto a quella delle onde superficiali 
varia da caso a caso e dipende fortemente dall'intervallo di frequenze 
considerato. Se si considera un intervallo di tempo opportunamente 
lungo (dell'ordine delle decine di minuti), le proprietà medie di un 
campo d'onda sismico generato da una molteplicità di sorgenti 
differenti, distribuite casualmente intorno al punto di misura, tendono 
ad avere un andamento che non dipende dalle singole sorgenti, ma
6 
 
solo dalle proprietà del mezzo in cui le onde si propagano e dal livello 
energetico medio dell'attività antropica o naturale. 
 In particolare si può immaginare che, in media, le componenti 
orizzontali e verticali del moto del suolo tendano a essere sollecitate 
in modo equivalente, con un ampiezza media pari al livello medio del 
rumore in quell'intervallo temporale. In questa ipotesi, i rapporti fra le 
ampiezze verticali e orizzontali del moto (H/V) saranno statisticamente 
indipendenti dalle caratteristiche delle sorgenti (dato che le ampiezze 
delle sollecitazioni sul piano orizzontale e verticale sono mediamente 
le stesse) e saranno condizionate dai soli effetti di propagazione 
ovvero dalle caratteristiche del mezzo interessato dal moto sismico. 
Queste ultime influenzeranno l'ampiezza relativa delle diverse fasi 
sismiche (onde P, S, Rayleigh e Love) e le direzioni di emergenza delle 
onde al punto di misura. 
 Studi teorici mostrano che se il rumore è effettivamente dominato 
da onde di volume emergenti da direzioni sub-verticali, l'andamento e 
l'ampiezza della funzione H/V riflettono quelle della funzione di 
risposta del deposito sedimentario analizzato. Si nota inoltre come 
l'ampiezza dei massimi della funzione H/V sia correlata (ma non 
linearmente) all'entità del contrasto di impedenza sismica presente 
alla base della copertura. L'assenza di massimi nella funzione H/V 
suggerisce l'assenza di fenomeni di amplificazione sismica dovuti a 
fenomeni di risonanza. 
Si può dimostrare che la frequenza di risonanza f0 di una 
copertura sedimentaria di spessore H sovrapposta a un basamento 
rigido e in condizioni di stratificazione piana è data dal rapporto fra la 
velocità media delle onde S nel sedimento e 4 volte lo spessore (f0 = 
VS/4H). Utilizzando questa relazione è possibile risalire dalla 
frequenza di risonanza misurata allo spessore della copertura una 
volta nota la velocità delle onde di taglio o, viceversa a quest'ultima se 
lo spessore è noto (Gruppo di lavoro MS, 2008). 
In generale per conoscere la funzione di risposta di un deposito 
ad uno scuotimento noto proveniente dal sottostante substrato si 
utilizza la funzione di trasferimento. Il modulo della funzione di