L’Osservatorio Sismico Urbano di CATANIA (OSU-CT) dell’INGV

Come gli eventi più recenti ci hanno dato modo di osservare, l’Italia e ancor più la Sicilia sono territori estremamente fragili, esposti ad elevati rischi naturali ed antropici. Di contro, azioni e visioni programmatiche che permettano di essere preparati a questi eventi stentano a concretizzarsi tra difficoltà organizzative, mancanza di fondi e deboli visioni politiche. La sensazione è di attraversare ciclicamente le stesse emergenze, spesso catastrofiche, senza fare tesoro degli insegnamenti che queste avrebbero dovuto lasciare. Così come la recente esperienza Covid sta insegnando, occorre lavorare in termini di prevenzione e proiezioni attingendo a tutti gli strumenti previsionali e di monitoraggio per poter mettere in atto le migliori scelte e ridurre le perdite. Competenze e tecnologie sono già presenti sul nostro territorio e attendono solo il giusto spazio per contribuire alla salvaguardia delle vite, in primo luogo, e del patrimonio storico-artistico e monumentale, in secondo luogo. Quest’ultimo ci garantisce di mantenere un’immagine di primissimo piano a livello internazionale quale centro mondiale della conservazione e della tutela dei beni artistici e monumentali.

I recenti terremoti che hanno colpito centri urbani densamente popolati come quello dell’Irpinia nel 1980, dell’Umbria-Marche nel 1997, de L’Aquila nel 2009, dell’Emilia nel 2012 e di una vasta area del centro Italia del 2016-2017, hanno dimostrato come le perdite sociali ed economiche possano essere notevoli in termine di vite umane e difficilmente colmabili nel breve periodo in termini di recupero dei territori colpiti. Questi ultimi si sono dimostrati spesso inermi davanti all’evento, subendone violentemente gli effetti e vedendosi cancellati un’intera storia. La non conoscenza delle prestazioni sismiche di strutture ed infrastrutture ha determinato significative perdite sia in termini di vite umane che economiche, il collasso di strutture produttive e sociali, la cancellazione di interi paesi e delle dinamiche sociali in essi contenute. Ciò nonostante le perdite potevano essere minimizzate e, potenzialmente, annullate almeno in termini di vite umane.

Ad esempio l’impiego di una rete di monitoraggio urbana a basso costo, potenzialmente applicabile in tutti gli edifici, costituita da sistemi standardizzati per il monitoraggio dinamico, potrebbe consentire l’acquisizione di informazioni utili alla valutazione della loro integrità strutturale prima e dopo ogni evento sismico. I sistemi di monitoraggio del cosiddetto “stato di salute” di una struttura (Structural Health Monitoring, SHM), consentono ai territori fortemente esposti di valutare e applicare politiche di resilienza da adottare ben prima che un evento critico si verifichi, consentendo in tal modo di ridurre e/o ottimizzare gli investimenti e soprattutto di ridurre le conseguenze associate all’evento raro. Similmente, in uno scenario post terremoto, sistemi e reti di monitoraggio potranno consentire di ottenere utili informazioni per stimare rapidamente (quasi in tempo reale) il livello di danneggiamento degli edifici e delle infrastrutture (ponti, viadotti, ecc.), accelerando così la macchina della gestione dell’emergenza e riducendo i tempi di intervento e di ripresa. Si pensi ad esempio alle verifiche di agibilità delle abitazioni nel post-terremoto, che richiede spesso lunghe tempistiche con spese significative per il singolo e la collettività.

Proprio questi sono alcuni degli aspetti e dei vantaggi della Rete Sismica Urbana di Catania, denominata OSU-CT, la prima in Italia con una elevata densità di stazioni sismo-accelerometriche, che una volta ultimata sarà costituita da circa quaranta installazioni, la maggior parte delle quali nel centro storico, in corrispondenza di edifici di carattere storico-monumentale.
OSU-CT è stata sviluppata dall’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) nell’ambito del progetto PON EWAS “an Early WArning System for cultural heritage”, per la salvaguardia e sicurezza del patrimonio culturale (Patanè et al., 2019).

La vulnerabilità del patrimonio architettonico di Catania insieme all’alta densità di popolazione (esposizione) collocano la città tra quelle a più alto rischio sismico dell’intero territorio italiano. Inoltre, occorre considerare come il suo centro storico, ricostruito dopo il terremoto del 1693, è un caso unico nel panorama mondiale, rappresentando una importante testimonianza dell’arte e dell’architettura del tardo Barocco, nel 2002 inserita nella Lista del Patrimonio dell’Umanità dell’UNESCO, rientrando tra le città del ben conosciuto “Val di Noto”.

La strumentazione per l’installazione delle 20 stazioni già operative è stata progettata ad hoc dal gruppo di lavoro OSU-CT grazie alla fattiva collaborazione di personale dell’Osservatorio Etneo (INGV-OE), dell’Osservatorio di Gibilmanna, da più di un anno anch’esso afferente all’INGV-OE, e di due PMI partner del progetto eWAS, Meridionale Impianti SpA, con la sua divisione di elettronica, e TME Srl, principalmente per gli aspetti relativi al sistema di Earthquake Early Warning. L’unità
master di acquisizione dei segnali sismo-accelerometrici, il sensore ibrido velocimetrico-accelerometrico ETL3D/5s-H2 (Fertitta et al., 2019), il nodo sensore (sensor-box multi-sensore) per il monitoraggio strutturale degli edifici e i sistemi di trasmissione e acquisizione dei dati, sono frutto di un intenso e proficuo lavoro durato più di 2 anni che ha permesso di progettare, sviluppare e realizzare strumentazioni di elevata qualità e prestazioni, sebbene a basso costo, necessarie alla realizzazione della OSU-CT, altrimenti difficilmente realizzabile per i costi decisamente più elevati delle strumentazioni commerciali.

Le calibrazioni dei sensori realizzati sono state effettuate presso il laboratorio L.E.D.A. dell’Università di Enna Kore, anch’esso partner del progetto. È stato utilizzato lo shaker a tavola APS420 della SPEKTRA operando per confronto (calibrazione secondaria) col sensore Lennartz LE-3d5s. Successivamente, si è proceduto alla calibrazione del nuovo prototipo di sensore ETL3D5s/H2 che integra l’accelerometro Epson M-A352 utilizzandolo come sensore di riferimento, e fatto un confronto con l’accelerometro ADXL355 integrato nell’ETL3D5s/H1. Una calibrazione primaria mediante vibrometro laser ad effetto Doppler era stata precedentemente eseguita presso i laboratori della SPEKTRA a Dresda in Germania, utilizzando gli shaker l’APS129 e l’SE13, che dispongono di cuscinetti ad aria. Nell’ambito del progetto EWAS è stato quindi acquisito nel 2021 lo shaker APS129, per calibrare i sensori in produzione.

Allo stato attuale sono 20 le stazioni operative nel centro storico di Catania e altrettante ne verranno collocate nei primi mesi del 2022, ottimizzando l’attuale copertura ed estendendosi oltre la cintura comunale di Catania. In altri siti pilota come il centro abitato del porto dell’isola di Vulcano sono state già installate 4 stazioni, per supportare l’implementazione della rete permanente a seguito dell’emergenza in corso, mentre un’altra stazione è stata installata nel palazzo storico dell’Aquila del comune di Ragusa. L’idea nel prossimo futuro è quindi di estendere le reti sismiche urbane nei centri abitati a maggior rischio sismico della Sicilia.

In occasione del terremoto di Motta Sant’Anastasia (CT), di magnitudo 4.3 delle ore 21:33 (UTC) del 23 dicembre 2021, la registrazione dei dati accelerometrici alle stazioni della rete OSU-CT ha permesso una nuova analisi del rischio sismico nell’area del centro storico di Catania, grazie all’elaborazione di una mappa di scuotimento più dettagliata rispetto a quella prodotta dall’INGV a scala più ampia. Tali mappe vengono elaborate ogni qualvolta si verifica un terremoto in Italia con magnitudo superiore a 3.0.

Le mappe di scuotimento (ShakeMap)  forniscono una immediata visualizzazione del livello di scuotimento (shaking) di una zona colpita o interessata da un terremoto.
L’INGV da diversi anni calcola le ShakeMap, le quali riportano i valori di picco registrati da accelerometri e sismometri, principalmente forniti dalla Rete Accelerometrica Nazionale (RAN) del Dipartimento per la Protezione Civile e dalla Rete Sismica Nazionale (RSN) dell’INGV, presenti nella zona del terremoto.
Questa indicazione sul livello di scuotimento osservato, e quindi del potenziale impatto sugli edifici, rappresenta una informazione particolarmente utile alla Protezione Civile per il coordinamento e l’organizzazione delle squadre di soccorso nel caso di terremoti rilevanti.

Per il centro storico di Catania, l’elaborazione della mappa di scuotimento a scala urbana (figura sotto) ha permesso di evidenziare come in alcune zone dell’abitato (nell’area circoscritta dalla rete) sono stati registrati maggiori risentimenti (valori più elevati dell’accelerazione del suolo) rispetto ai valori riportati nella mappa elaborate a scala più ampia, riferibili alle osservazioni delle stazioni di rilevamento più vicine, ubicate a Paternò e a sud della città nella Piana di Catania.

Il maggior dettaglio ottenuto è ovviamente legato ai numerosi dati accelerometrici ricavati dalle stazioni della rete urbana (nella figura sotto). A tal riguardo si sta procedendo ad un’analisi dettagliata dei terreni di fondazione degli edifici dove sono installate le strumentazioni, attraverso le stratigrafie delle perforazioni disponibili. Da una prima valutazione basata sugli affioramenti nel centro storico della città di Catania (mappa geologica dell’Etna, Branca et al., 2011) i maggiori risentimenti sembrerebbero essere dovuti alla presenza di ingenti volumi di materiale di riporto o di natura antropica nel centro storico, in gran parte dovuti alla rielaborazione delle macerie degli eventi sismici storici come quello del 1693, o alla presenza di resti archeologici sepolti.

Le opportunità offerte dalla presenza di Reti Sismiche Urbane, con un numero adeguato di stazioni, in un contesto a così alto rischio sismico, come nelle città della Sicilia orientale dove storicamente si sono verificati i terremoti più devastanti (es. 1169, 1693; 1908), sono innumerevoli. Il sistema può essere integrato al fine di monitorare lo stato di salute (Structural Health Monitoring, SHM) di strutture ed infrastrutture, sperimentare un sistema automatico di allarme rapido on-site per i terremoti (Earthquake Early Warning, EEW) o valutare a scala urbana il danno strutturale in caso di terremoto attraverso la generazione automatica di mappe di scuotimento (shakemaps).
Tali informazioni saranno inoltre estremamente utili per integrare, arricchire gli studi di micro-zonazione sismica proponendo al contempo nuove strategie per la validazione e il miglioramento delle relative mappe sulla cui reale attendibilità si dibatte ancora oggi negli ambienti scientifici.
Infine, è in fase di test il nodo sensore (sensor-box multi-sensore) per il monitoraggio strutturale degli edifici, realizzato, sempre nell’ambito di EWAS, che costituirà l’elemento principale dei sistemi di monitoraggio dinamico (Structural Health Monitoring, SHM) da installare presso il palazzo degli Elefanti, sede del Municipio, il Palazzo Centrale dell’Università e il Palazzo Minoriti, sede della Prefettura di Catania, scelti come test-sites. I dati acquisiti permetteranno di affinare la modellazione numerica in ambito non lineare degli edifici, necessaria per definire il comportamento dinamico delle strutture a seguito di un’eccitazione sismica. Tali studi sono condotti in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura dell’Università di Catania e il L.E.D.A. (Laboratory of Earthquake engineering and Dynamic Analysis) dell’Università di Enna KORE.

Riferimenti bibliografici

Branca S., Coltelli M., Groppelli G., Lentini F. (2011), Geological map of Etna volcano, 1:50,000 scale, Italian Journal of Geosciences, 130 (3): 265-291, doi.org/10.3301/IJG.2011.15

Fertitta G., Costanza A., D’Anna G., Patanè D., (2019), The Earth Lab 5s (ETL3D/5s) seismic sensor. Design and test, Annals of Geophysics, 62, Doi: 10.4401/ag-7857, 2019.

Patanè D. Malfitana D., Mazzaglia A. (2019), Dalla conoscenza all’azione. Il progetto PON eWAS: un sistema di allerta precoce per la salvaguardia del patrimonio culturale, Atti del Convegno Internazionale di Studi “Monitoring and Maintenance of Archeological areas”, Parco Archeologico del Colosseo, 20-21 Marzo 2019, Roma.

A cura di Domenico Patanè (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia -Sezione di Catania-Osservatorio Etneo), Ivo Caliò (Dipartimento Ingegneria Civile e Architettura dell’Università di Catania) e Giuseppe Occhipinti (Consiglio Nazionale delle Ricerche istituto di Geologia Ambientale e Geoingegneria, IGAG-CNR).

Gruppo di lavoro OSU-CT: Antonio Costanza, Giuseppe D’Anna, Sergio Di Prima, Gioacchino Fertitta, William Yang, Salvatore Mangiagli, Michele Prestifilippo, Orazio Torrisi, Giuseppina Tusa delll’INGV-OE; Claudio Martino dell’INGV-OV; Francesco Lo Iacono, Giacomo Navarra dell’Università di Enna Kore; Antonio Astuti, Antonio Colino di Meridionale Impianti SPA.

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