SECURE

Stima del moto del suolo su scala regionale attraverso approcci empirici e basati sulla fisica: caso studio dell’Italia centrale (SECURE)

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Aybige Akinci

Una quantificazione affidabile dei movimenti sismici del suolo in funzione della magnitudo dell’evento sismico, della distanza epicentrale e della frequenza delle onde sismiche ha importanti ricadute sull’analisi del rischio sismico e sulla realizzazione di scenari di scuotimento. Questi elementi sono necessari per scopi ingegneristici, per le funzionalità della protezione civile e per i sistemi finalizzati a fornire una risposta rapida in occasione di terremoti significativi.

La modellazione realistica dei movimenti sismici del suolo può essere ottenuta solo quando sono accuratamente rappresentati il processo di rottura della faglia, le proprietà fisiche del volume crostale percorso dalle onde sismiche e le condizioni locali del sito.

L'obiettivo principale di SECURE è quello di studiare, attraverso tecniche innovative, le caratteristiche del movimento sismico del suolo, per meglio prevedere e stimare i suoi valori ai fini della mitigazione del rischio sismico nell'Appennino centrale.

SECURE è interessato a esplorare i collegamenti tra la fisica delle sorgenti sismiche, la propagazione delle onde e la variabilità del moto del suolo su scala locale e regionale, definendo con dettaglio le strutture geologiche (ad es. bacini e topografia) e migliorando i modelli di velocità crostale esistenti nell'Appennino centrale.

SECURE mira a indagare la variabilità intrinseca del moto del suolo sia nello spazio che nel tempo e ad esaminare le proprietà della sorgente sismica, il percorso e le proprietà del sito (ad esempio stress drop, l’ attenuazione anelastica del mezzo, l’effetto di sito) modificano i movimenti del suolo durante le sequenze sismiche. SECURE intende sviluppare modelli di moto del suolo non-ergodici basati sulla fisica e sui dati che considerino le variazioni regionali e temporali complessive (prima, durante e dopo grandi sequenze di terremoti), e che forniscano parametri di movimento del suolo e serie temporali per applicazioni ingegneristiche.

Nell'ambito del progetto SECURE, genereremo simulazioni a banda larga ibride basate sulla fisica e la modellazione numerica 3D del moto del suolo in differenti siti, fornendo uno strumento alternativo ai dati e ai modelli empirici.

L'integrazione dei parametri empirici e sintetici del moto del suolo è uno dei principali interessi di SECURE, in particolare nelle aree caratterizzate da alti livelli di pericolosità come le regioni vicine alla faglia, dove lo scuotimento è più significativo e sono disponibili pochi dati registrati da forti terremoti.

SECURE valuterà, testerà e validerà i movimenti del suolo previsti rispetto alle registrazioni sismiche e ai dati di intensità macrosismica (MI) disponibili nell'area di studio. Lo schema di classificazione sarà utilizzato in conformità con metriche e regole ingegneristiche consolidate (ad esempio con curve di fragilità per diversi tipi di struttura in funzione della misura di interesse dell'intensità del moto del suolo) per fornire mezzi diretti per le applicazioni ingegneristiche.

Uno studio sistematico e multidisciplinare, insieme ad una grande quantità di dati disponibili, aiuterà a comprendere la connessione tra i parametri fisici della Terra, a catturare la complessa fisica della rottura del terremoto, la propagazione delle onde regionali in 3D, le risposte di sito, e a migliorare le tecniche attuali per prevedere meglio i movimenti del suolo per futuri grandi terremoti nell'Appennino centrale. La strategia proposta in SECURE può essere facilmente trasferita e applicata ad altre regioni sismicamente attive.

SECURE nasce dalla volontà di rispondere alle seguenti domande:

• Come potremmo migliorare le previsioni del moto del suolo nell'Italia centrale?
• Qual è l'impatto della struttura del terreno, dei bacini, della topografia, dell'eterogeneità della rottura della sorgente (cinematica, dinamica e geometrica) e dell'attenuazione delle onde sismiche sul moto del suolo stimato in un dato sito?
• I modelli di moto del suolo non-ergodici, inclusa la non stazionarietà spaziale e temporale, migliorano la capacità di previsione dello scuotimento del suolo, anche durante una sequenza sismica?
• Le simulazioni del moto del suolo basate sulla fisica possono essere ridefinite come previsioni del movimento del suolo?
• È possibile diminuire la variabilità calibrando il GMM in maniera temporale non-stazionaria, includendo esplicitamente parametri che descrivono la dinamica dei processi di rottura (ad es. caduta di stress, stress apparente)?
• Possiamo validare le relazioni empiriche tra l'intensità macrosismica e il movimento del suolo registrato utilizzando test statistici?
• Possiamo sviluppare un test di validazione per i GMM destinati all’analisi delle prestazioni nelle applicazioni ingegneristiche?
• I GMM ibridi regionalizzati derivati dalle simulazioni e dalle previsioni non- ergodiche hanno prestazioni migliori rispetto ai GMM esistenti nell'Italia centrale?

Essendo uno dei punti essenziali, SECURE incoraggerà le attività di ricerca sui temi della modellazione e validazione del movimento del suolo integrando approcci innovativi e consolidati, condividendo le conoscenze e le esperienze con diversi ricercatori ed esperti internazionali/nazionali del Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL (USA), Centro de Investigacion Cientifica y de Educacion Superior de Ensenada (Messico), Helmholtz Centre Potsdam, GFZ, Università di Mainz (Germania), Università di Bogazici, KOERI (Turchia), Università di Praga (Repubblica Ceca), Università della Calabria, UNICAL, e Università Federico II, Napoli. SECURE riunirà 29 ricercatori INGV e 10ricercatori nazionali/internazionali esterni provenienti da diversi Istituti/Università/Dipartimenti. SECURE collaborerà anche con altri progetti in corso lavorando su vari argomenti che possono offrire preziose conoscenze nell'area di studio. Il progetto comprende personale proveniente da diverse Sezioni INGV: Sismologia e Tettonofisica (Roma1); Osservatorio Nazionale Terremoti (ONT); Sezione di Milano; Sezione di Pisa.

SECURE cercherà di rispondere alle domande evidenziate che motivano gli obiettivi di questo progetto attraverso diverse attività di ricerca, raggruppate in quattro unità di lavoro e sotto-attività (figura seguente)

PARTECIPANTI

Personale INGV (Solo Tecnologo e Ricercatore a tempo indeterminato (I-III livello); non possono essere dichiarati incarichi tecnico-amministrativi)

EQUILIBRIO DI GENERE: Abbiamo ottenuto con successo l'equilibrio di genere nel nostro progetto di ricerca, avendo complessivamente 13 donne e 16 ricercatori uomini nel progetto e il 50% di donne tra i ruoli principali come leader del WP.

PARTECIPANTI ESTERNI (UNIVERSITÀ, CENTRI DI RICERCA, ECC.)

con lettere di accordo (allegate alla proposta)

Regional-Scale Earthquake Ground Motion PrediCtions ThroUgh Pyhsics-based and EmpiRical ApproachEs: A Case study Central Italy (SECURE)
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Aybige Akinci

The reliable quantification of earthquake ground motions as a function of magnitude, distance, and frequency is directly linked to seismic hazard analysis and shaking scenarios for engineering, civil protection purposes, and systems designed to provide earthquake rapid response and early warning. Realistic modeling of earthquake ground motions can be achieved only when the rupture process on causative fault, the medium property of the seismic wave path, and the local site condition are accurately represented.

The main goal of SECURE is to study earthquake ground motion characteristics through innovative techniques to improve ground motion predictions for seismic hazard mitigation in the Central Apennines.

SECURE is interested in exploring the links between earthquake source physics, wave propagation, and ground motion variability on local and regional scales, revealing the geological and seismic structures (e.g., basins and topography) and improving existing crustal velocity models in the Central Apennines.

SECURE aims to investigate the inherent variability of ground motion in space and time and examine how the source, path, and site properties (e.g. stress drop, Q(f), κ) modify the earthquake ground motions during the seismic sequences.

SECURE intends to develop data-driven non-ergodic and physics-based ground-motion models that consider regional and temporal variations (before, during, and after large earthquake sequences) and provide ground motion parameters and time histories for engineering applications.

Under the SECURE framework, we will generate physics-based hybrid and 3D numerical broadband simulations of ground motions at thousands of sites providing an alternative tool to the empirical data and models.

Integrating empirical and synthetic ground motion parameters is one of SECURE’s main interests, particularly in areas characterized by high hazard levels as near-fault regions, where shaking is most significant, and few recorded data are available from large earthquakes.

SECURE will evaluate, test, and validate the predicted ground motions against the seismic recordings and macroseismic intensity (MI) data available in the study area. The ranking scheme will be used in accordance with well-established engineering metrics and rules (e.g. fragility curves for different types of structure as a function of the ground motion intensity measure of interest) to provide direct means for engineering applications.

A systematic and multidisciplinary study, together with a large amount of available data, will help comprehend the connection among physical parameters of the Earth, capture the complex physics of earthquake rupture and 3D regional wave propagation, and site responses and improve current techniques to better predict ground motions for future large earthquakes in the Central Apennines. The strategy proposed in SECURE can easily be transferred and applied to other seismically active regions.

SECURE is conceived from the desire to answer the following questions:

• How should we improve the ground motion predictions in central Italy?
• What is the impact of earth structure, basins, topography, source rupture heterogeneity (kinematic, dynamic, and geometrical), and seismic wave attenuation on the estimated ground motions at a given site?
• Do non-ergodic ground-motion models, including spatial and temporal non-stationarity, improve the prediction capability of ground shaking, also during a seismic sequence?
• Can physics-based earthquake ground-motion simulations be defined as ground-motion prediction?
• Is it possible to decrease the variability by calibrating temporal non-stationary GMM that implicitly includes parameters describing the dynamic of rupture processes (e.g., stress drop, apparent stress)?
• Can we validate the empirical relationships between macroseismic intensity and recorded ground motion using statistical tests?
• Can we develop a validation testfor GMMs intended for performance assessment in engineering applications?
• Do the regionalized hybrid GMMs derived from the simulations and non-ergodic predictions perform better than existing GMMs in Central Italy?

As one of the essential points, SECURE will encourage research activities on ground motion modeling and validation topics integrating innovative and consolidated approaches, sharing the knowledge and experiences with several international/national researchers and experts from Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL (USA), Centro de Investigacion Cientifica y de Educacion Superior de Ensenada (Mexico), Helmholtz Centre Potsdam, GFZ and University of Mainz (Germany), University of Bogazici, KOERI (Turkey), and University of Prague (Czech Republic), University of Calabria, UNICAL, University of Federico II, Napoli. SECURE will bring together 29 INGV and ten external national/international researchers from different Institutes/Universities/Departments. SECURE will also collaborate with other ongoing projects on various topics that may offer valuable knowledge in the study area. Il progetto include personale proveniente da diverse Sezioni INGV: Sismologia e Tettonofisica (Roma1); Osservatorio Nazionale Terremoti (ONT); Sezione di Milano; Sezione di Pisa.

SECURE will try to answer the highlighted questions that motivate the objectives of this project through several research activities grouped into four Working Groups and subtasks (following Figure)

PARTICIPANTS

INGV Staff (Only Technologist and Research Permanent position (I-III level); technical-administrative positions cannot be reported)

GENDER BALANCE: We successfully assessed the gender balance in our research project, having 13 women and 16 men researchers in the overall project and women 50% among the leading roles as WP leaders.

EXTERNAL PARTICIPANTS (UNIVERSITY, RESEARCH CENTERS, ETC.)

with letters of agreement (attached to the proposal)