Validazione sismologica preliminare di un database di moto del suolo basato su modelli fisici

La valutazione del rischio sismico richiede oggi strumenti sempre più coerenti tra analisi di pericolosità e risposta strutturale. In questo quadro, la disponibilità di accelerogrammi rappresentativi degli scenari più critici resta un nodo centrale, soprattutto per eventi di media-alta magnitudo a brevi distanze. La ricerca presentata ad ANIDIS 2025 da Marco Fasan propone un approccio innovativo basato su simulazioni numeriche fisicamente fondate del moto del suolo. L’obiettivo è colmare le lacune dei database di registrazioni reali e offrire nuovi strumenti affidabili per l’ingegneria sismica. I primi risultati mostrano una promettente coerenza con i modelli di previsione esistenti.

Verso un nuovo database di accelerogrammi simulati per l’ingegneria sismica

Nel corso di ANIDIS 2025 è stato presentato un contributo di particolare interesse per la comunità dell’ingegneria sismica, illustrato da Marco Fasan dell’Università di Trieste e sviluppato nell’ambito della tesi di dottorato di Giovanni Smirondo. Il lavoro affronta un tema centrale per la valutazione del rischio sismico: la disponibilità e l’affidabilità degli accelerogrammi utilizzati sia nelle analisi di hazard sia nelle analisi strutturali basate su approcci time history. In questo contesto, la ricerca propone una validazione sismologica preliminare di un ampio database di accelerogrammi simulati, costruito attraverso simulazioni numeriche fisicamente basate del moto del suolo.

Il punto di partenza è il ben noto integrale del rischio, che dipende dalla combinazione tra pericolosità sismica e fragilità strutturale. In entrambi questi ambiti gli accelerogrammi giocano un ruolo chiave: nella definizione delle curve di fragilità, attraverso analisi dinamiche non lineari, e nella stima della pericolosità, poiché i dati registrati costituiscono la base empirica per lo sviluppo delle relazioni di attenuazione o modelli di previsione del moto del suolo. Tuttavia, la distribuzione reale degli accelerogrammi disponibili presenta lacune significative, soprattutto per terremoti di magnitudo medio-alta a brevi distanze, proprio quelli di maggiore interesse per l’ingegneria strutturale. Questa carenza si riflette in una maggiore incertezza delle relazioni di attenuazione e, di conseguenza, nelle valutazioni di hazard e di risposta strutturale.

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Le simulazioni fisicamente basate come risposta alla scarsità di dati

Per superare i limiti imposti dalla disponibilità di registrazioni reali, lo studio propone l’uso di simulazioni numeriche del moto del suolo basate su modelli fisici della sorgente sismica, del percorso di propagazione e degli effetti di sito. L’approccio adottato si fonda su un modello cinematico della sorgente, in cui la faglia viene discretizzata come una superficie estesa caratterizzata da uno scorrimento variabile nel tempo e nello spazio. Parametri chiave del processo di rottura, come il punto di nucleazione, la propagazione del fronte di rottura e la distribuzione dello slip, vengono trattati in modo aleatorio per rappresentare la natura stocastica del fenomeno sismico.

La propagazione delle onde dalla sorgente al sito è simulata mediante la tecnica del discrete wave number, che consente di tenere conto in modo esplicito degli effetti di campo vicino, inclusi la direttività e il fling step, spesso difficili da rappresentare con metodi più semplificati. Questa scelta metodologica permette di generare accelerogrammi tridimensionali coerenti con scenari sismici realistici, mantenendo un legame diretto con i meccanismi fisici che governano il terremoto.

Nel lavoro presentato ad ANIDIS 2025 l’attenzione è stata focalizzata su una singola faglia di riferimento, modellata per un intervallo di magnitudo compreso tra 5,5 e 7,5, con dimensioni scalate secondo leggi di letteratura. Sono state considerate diverse stratigrafie rappresentative delle categorie di suolo, modellate con un approccio 1D a strati orizzontali, in modo da rendere computazionalmente sostenibile la produzione di un numero elevato di simulazioni. I ricevitori sono stati collocati a distanze variabili tra 5 e 100 km, consentendo di esplorare un ampio spettro di condizioni di sito e di percorso.

Dal flat file al confronto con i modelli di previsione del moto

Il risultato di questo imponente sforzo di calcolo è un database di migliaia di accelerogrammi simulati, organizzati in un flat file in cui ogni evento è descritto attraverso un numero molto elevato di misure di intensità. Oltre ai parametri più noti, come la PGA, la PGV e le accelerazioni spettrali, sono state considerate grandezze energetiche, in particolare l’energia di input, sempre più riconosciuta come parametro significativo per le analisi dinamiche non lineari.

La validazione sismologica preliminare del database è stata condotta confrontando i risultati delle simulazioni con le previsioni fornite dai modelli di attenuazione esistenti, all’interno dei rispettivi campi di validità. L’analisi dei residui e i confronti grafici mostrano una buona coerenza tra i valori simulati e quelli previsti dalle relazioni di letteratura, sia per la velocità di picco al suolo sia per le accelerazioni spettrali. Un aspetto interessante riguarda la variabilità: il database simulato presenta una dispersione inferiore rispetto a quella implicita nei modelli empirici, effetto attribuibile al fatto che, in questa fase, la variabilità dei parametri di sorgente e di sito è stata volutamente limitata. Ciò rende il database molto ricco in termini di numerosità, ma ancora relativamente povero in termini di eterogeneità degli scenari.

Particolarmente significativo è il confronto sull’energia di input, che evidenzia come le simulazioni siano in grado di riprodurre in modo realistico anche il contenuto energetico del moto del suolo, un risultato che rafforza l’ipotesi di un utilizzo diretto di questi segnali nelle analisi strutturali avanzate.

Prospettive future tra hazard e fragilità

I risultati presentati indicano che gli accelerogrammi simulati mostrano una buona correlazione con i modelli di previsione del moto del suolo, con valori che ricadono in larga parte entro una o due deviazioni standard rispetto alle relazioni di attenuazione. Questo vale per l’intero intervallo di magnitudo analizzato, suggerendo la robustezza dell’approccio adottato. Il passo successivo, già avviato dal gruppo di ricerca, è l’ampliamento della variabilità del database, attraverso la considerazione di geometrie di faglia differenti e di un numero maggiore di stratigrafie, con l’obiettivo di rendere il dataset più rappresentativo e potenzialmente fruibile dalla comunità scientifica e professionale.

In parallelo, è prevista una validazione strutturale basata sul confronto tra analisi effettuate con accelerogrammi naturali accuratamente selezionati e quelle condotte con segnali simulati, mediante approcci cloud o multi-stripe. Questo consentirà di confrontare direttamente le curve di fragilità ottenute e di verificare se le simulazioni numeriche siano in grado di “chiudere il cerchio” tra analisi di hazard e analisi di fragilità. Se confermati, questi risultati aprirebbero la strada a un uso sempre più consapevole e integrato degli accelerogrammi simulati nella pratica dell’ingegneria sismica, riducendo la dipendenza da dataset empirici incompleti e migliorando la coerenza complessiva delle valutazioni di rischio.

DI SEGUITO LA VIDEOREGISTRAZIONE DELL'INTERVENTO DI MARCO FASAN AD ANIDIS 2025.

Il testo è stato elaborato mediante la videoregistrazione dell'intervento, con l'aiuto dell'IA.

IN SINTESI
-Il ruolo centrale degli accelerogrammi nelle analisi di hazard sismico e nella definizione delle curve di fragilità strutturale, a fronte delle attuali carenze nei database di registrazioni reali.
-Lo sviluppo di un ampio database di accelerogrammi simulati tramite modelli fisicamente basati della sorgente sismica, del percorso di propagazione e degli effetti di sito.
-La validazione sismologica preliminare delle simulazioni mediante il confronto con i modelli di previsione del moto del suolo per parametri come PGV, accelerazioni spettrali ed energia di input.
-Le potenzialità delle simulazioni numeriche nel riprodurre correttamente sia l’intensità sia il contenuto energetico del moto del suolo, con ricadute dirette sulle analisi dinamiche non lineari.
-Le prospettive future di ampliamento del database e di validazione strutturale, per integrare in modo coerente analisi di pericolosità e di fragilità nel quadro della valutazione del rischio sismico.