Source-related variability of seismic site amplification function in Norcia, Central Italy

Study of site amplification caused by earthquake strong ground motion plays an important role in the seismic hazard analysis and risk assessment at regional scale. Standard one dimensional numerical methods available to quantify seismic site response are based on the assumption of vertical propagation of wave and horizontal stratigraphy of soil layers and therefore, neglects the irregular soil profile, buried topographies, 3D complex wave propagation in near source and effect of basin edges. Due to simplified assumptions of 1D numerical methods and to predict more realistic ground response 3D physics based numerical methods are being used however, these method are reliable only in the longer period range typically (above 0.75- 1s) due to posed computational constraints and insufficient knowledge of medium at shorter wavelengths. In this work case study of Norcia basin effected by the seismic sequences of 2016 Central Italy is considered to illustrate source related spatial variability in site amplification function. To do this, results of 3D physics-based simulations produced by an open source high performance spectral element code called SPEED are used. The SPEED simulations were available for the mainshock Mw 6.5 of October 30, 2016 and for three hypothetical rupture scenarios, with variable magnitude and co-seismic slip distribution. To overcome the limitation associated with the numerical resolution of model and to predict the response spectral ordinates at short periods a novel approach based on trained Artificial Neural Networks (ANNs) is used and Broadband Simulations (BBs) through a MTALB routine were generated. BBs time histories were compared with the BASCO corrected strong ground motions records both in time and frequency domain to validate the reliability of BBs. After validating BBs results with records spatial variability of Spectral Amplification Function (SAF) was analysed. First, SAF was analysed with respect to same site within the basin (Ideal) and then by considering reference bedrock sites (real) outside of basin for each earthquake scenario. Results point out that BBs prediction were found to have good agreement with the records in both time and frequency domain. Furthermore, some crucial aspects in selecting the reference rock site indicate that the 3D site amplification ratios are strongly affected by the variations in source rupture parameters.

Lo studio dell'amplificazione del sito causata dal forte movimento del suolo di un terremoto gioca un ruolo importante nell'analisi della pericolosità sismica e nella valutazione del rischio su scala regionale. I metodi numerici unidimensionali standard disponibili per quantificare la risposta sismica del sito si basano sull'ipotesi di propagazione verticale dell'onda e stratigrafia orizzontale degli strati di suolo e quindi trascura il profilo irregolare del suolo, le topografie sepolte, la propagazione delle onde complesse 3D nella sorgente vicina e l'effetto del bacino bordi. A causa delle ipotesi semplificate dei metodi numerici 1D e per prevedere metodi numerici basati sulla fisica 3D di risposta al suolo più realistici vengono utilizzati, tuttavia, questi metodi sono affidabili solo nell'intervallo di periodo più lungo in genere (sopra 0,75-1 s) a causa di vincoli computazionali posti e conoscenza insufficiente di media a lunghezze d'onda più corte. In questo caso studio di lavoro del bacino di Norcia effettuato dalle sequenze sismiche dell'Italia centrale 2016 si considera che illustri la variabilità spaziale correlata alla sorgente nella funzione di amplificazione del sito. Per fare ciò, vengono utilizzati i risultati delle simulazioni 3D basate sulla fisica prodotte da un codice di elementi spettrali ad alte prestazioni open source chiamato SPEED. Le simulazioni di SPEED erano disponibili per la scossa principale Mw 6.5 del 30 ottobre 2016 e per tre ipotetici scenari di rottura, con magnitudo variabile e distribuzione co-sismica dello scorrimento. Per superare la limitazione associata alla risoluzione numerica del modello e prevedere le ordinate spettrali di risposta a brevi periodi, viene utilizzato un nuovo approccio basato su reti neurali artificiali (ANN) addestrate e sono state generate simulazioni a banda larga (BB) attraverso una routine MTALB. Le cronologie temporali dei BB sono state confrontate con le registrazioni dei movimenti del suolo forti corrette da BASCO sia nel dominio del tempo che della frequenza per convalidare l'affidabilità dei BB. Dopo aver convalidato i risultati dei BB con record, è stata analizzata la variabilità spaziale della funzione di amplificazione spettrale (SAF). Innanzitutto, il SAF è stato analizzato rispetto allo stesso sito all'interno del bacino (Ideale) e quindi considerando i siti di riferimento (reali) al di fuori del bacino per ogni scenario sismico. I risultati sottolineano che è stato riscontrato che la previsione dei BB ha un buon accordo con i record sia nel dominio del tempo che in quello della frequenza. Inoltre, alcuni aspetti cruciali nella selezione del sito roccioso di riferimento indicano che i rapporti di amplificazione del sito 3D sono fortemente influenzati dalle variazioni dei parametri di rottura della sorgente.