Combattere i terremoti: progettare e collaudare edifici anti-sismici Understand article

Tradotto da Francesco Marazzi. I terremoti possono essere devastanti. Cosa possiamo fare per resistervi? Francesco Marazzi e Daniel Tirelli spiegano come progettare e collaudare edifici a prova di terremoto.

Mappa della pericolosità
simica mondiale. Cliccare
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concessa da the Global
Seismic Hazard Program

Il terremoto di Haiti del gennaio 2010 ha ucciso circa 200 mila persone e distrutto o gravemente danneggiato circa 280 mila edifici. Più vicino a noi – a L’Aquila, in Abruzzo – il terremoto dell’alba del 6 aprile 2009 ha causato più di 300 morti e l’evacuazione di 60 mila persone.

I terremoti sono causati dal movimento delle placche terrestri e, di conseguenza, non è possibili né controllarli, né sapere con precisione quando e con quale intensità avrà luogo il prossimo sisma. È possibile però analizzarne l’intensità e la frequenza di occorrenza da un punto di vita statistico (per maggiori informazioni si veda Latchman, 2009). Per una certa regione, infatti, l’intensità attesa di un terremoto è inversamente proporzionale alla sua frequenza di occorrenza: i terremoti di bassa intensità sono più frequenti di quelli ad intensità elevata.

Sebbene non sia possibile evitare i terremoti, è possibile però resistervi, come per esempio progettando edifici a prova di terremoto, detti anti-sismici.

Un terremoto è un movimento del terreno caratterizzato da oscillazioni in tre dimensioni che, a seconda dell’intensità, possono avere effetti rilevanti sulle costruzioni. Terremoti di forte intensità inducono negli edifici rapidi movimenti che a loro volta producono forze molto considerevoli. Infatti, in accordo con la seconda legge di Newton della dinamica (forza = massa x accelerazione), le accelerazioni causate dal terremoto moltiplicate per la massa dell’edificio si traducono in forze agenti sulla struttura. Gli edifici sono progettati per resistere ai carichi verticali, quindi generalmente in grado di resistere all’aumento di forze verticali causato dal movimento sussultorio (verticale) indotto dal sisma. Le forze orizzontali, al contrario, in passato sono state spesso sottostimate durante la fase di progettazione e di conseguenza accade sovente che gli edifici crollino principalmente sotto gli effetti della componente ondulatoria (cioè orizzontale) del terremoto.

Per ragioni di carattere pratico ed economico, gli edifici anti-simici devono soddisfare opportuni livelli di resistenza al terremoto. Un terremoto di modesta intensità dovrebbe causare solo danni secondari e non strutturali, come per esempio fessurazioni riparabili. In caso di terremoto di forte intensità si accetta invece un grado di danneggiamento maggiore, anche strutturale. Il collasso rovinoso degli edifici deve essere sempre scongiurato anche per i terremoti più distruttivi. Il progetto di un edificio anti-simico deve anche tenere in considerazione la sua importanza e funzione: un ospedale o una caserma dei Vigili del Fuoco, ad esempio, devono rimanere pienamente operativi anche dopo un forte terremoto.

Metodi di simulazione
sismica: una tavola vibrante
(a sinistra) e un muro di
reazione (a destra)

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concessa da ELSA

Nonostante gli enormi progressi nella modellazione numerica e nella simulazione al computer di come gli edifici si comportino in caso di terremoto, le prove sperimentali sono ancora una parte importante della ricerca in tema di edifici anti-sismici. Gli ingegneri usano modelli in scala ridotta o a scala reale per studiare la risposta di una struttura al terremoto: quanto sarà sicuro un edificio in caso di sisma e come può essere migliorata la sua risposta?

Ci sono attualmente due tecniche sperimentali complementari per simulare gli effetti di un terremoto sulle strutture: uno è basato sulla tavola vibrante e l’altro sul muro di reazione. Una tavola vibrante è una piattaforma che mima un prefissato terremoto riproducendone le vibrazioni in una, due o tre direzioni. L’edificio da provare – di solito un modello in scala ridotta – viene posto sulla tavola vibrante e sottoposto ad un “terremoto” osservandone gli effetti. L’edificio crolla? Si aprono delle crepe nei muri? Come si sviluppa il quadro del danneggiamento? Quanto a lungo l’edificio resiste al sisma? Uno svantaggio di questo tipo di simulazioni è che non è possibile interrompere l’esperimento nel bel mezzo del ‘terremoto’, ma è necessario attendere la fine della prova per poter analizzare i risultati.

Trasporto di un edificio
all’interno del laboratorio
ELSA

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concessa da ELSA

Il sistema muro di reazione e pavimento rigido, a differenza del precedente, permette di provare edifici a scala reale. La costruzione viene fissata al pavimento e attaccata al muro di reazione mediante bracci idraulici che esercitano una spinta sull’edificio simulando il terremoto. Il sisma è riprodotto a velocità rallentata – un terremoto reale della durata di qualche secondo può durare anche alcune ore. Questo permette di monitorare da vicino l’evoluzione del danno; la prova può essere momentaneamente interrotta di tanto in tanto per permettere agli ingegneri di esaminare l’edificio più da vicino od impedirne il crollo. Appositi sensori, come per esempio sensori di deformazione, di sforzo, di inclinazione e di forza, registrano gli effetti del terremoto sulla costruzione.

Il più grande muro di reazione d’Europa si trova al Laboratorio Europeo per le Verifiche Strutturali (European Laboratory for Structural Assessment – ELSA)w1, dove è utilizzato per studiare metodologie di rinforzo e riparazione di strutture a grandezza naturale (come per esempio ponti ed edifici).

Come gli esperimenti hanno dimostrato, il danno atteso causato ad un edificio da un terremoto (la sua vulnerabilità sismica) può essere mitigato in diversi modi. Una tecnica efficace consiste nel separare edificio e terreno di fondazione in modo che le vibrazioni causate dal terremoto non si trasmettano alla costruzioneg.

Tale tecnica, chiamata di isolamento sismico consiste nell’introdurre dei meccanismi a scivolamento tra la fondazione e la parte inferiore dell’edificio. Un altro approccio consiste nel progettare la costruzione in modo che il danneggiamento dovuto al terremoto si localizzi solo in alcune posizioni predefinite: questo permette di dissipare l’energia del sisma prevenendo comportamenti strutturali inaspettati. Nei nodi strutturali (cioè all’innesto tra le travi e le colonne) possono inoltre essere inseriti appositi dispositivi d’acciaio che, deformandosi durante il sisma, ne assorbano l’energia distruttiva.

L’uso di ‘staffe di
confinamento’ ravvicinate
e chiuse avrebbe aiutato
questa casa de L’Aquila a
resistere al terremoto del
2009

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concessa da Francesco Marazzi
La chiesa della Concezione,
Paganica, L’Aquila, Abruzzo

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concessa da Fabio Taucer

La fase di progettazione di un edificio è estremamente importante. Le strutture con schema regolare, per esempio, sono molto più resistenti di quelle irregolari, perché meno soggette ad effetti torsionali (cioè di avvitamento su se stesse); di conseguenza sono meno soggette a sforzi e deformazioni localizzate. I dettagli costruttivi hanno spesso una grande importanza. I muri devono essere ben collegati tra loro e ai solai di piano in modo che la casa resista al terremoto come un tutt’uno (in questo caso si dice che la struttura ha un ‘comportamento scatolare’). Nelle nuove costruzioni gli elementi strutturali in calcestruzzo possono essere resi più resistenti semplicemente infittendo le staffe di confinamento in corrispondenza dei nodi strutturali; ciò comporta un miglioramento sostanziale della resistenza sismica di un edificio ad un costo del tutto trascurabile.

I dispositive anti-sismici sono importanti non solo per salvare vite umane, ma anche per proteggere il nostro patrimonio culturale: l’ELSA ha compiuto importanti prove sperimentali su un modello a scala naturale di una porzione del monastero di Saõ Vicente de Fora a Lisbona, in Portugallo, e su un modello in scala 1:2 della facciata di Palazzo Geraci a Palermo. Come risultato di queste campagne sperimentali l’ELSA ha potuto contribuire alla redazione di linea guida per la protezione di monumenti storici dai danni del terremoto.

 

Attività didattiche all’ELSA

L’ELSA ha una sezione del laboratorio dedicata ai bambini che comprende anche una piccola tavola vibrante. Tale attrezzatura è facilmente trasportabile e può essere utilizzata per effettuare dimostrazioni sia durante la visita delle scuole all’ELSA, a Ispra (VA), oppure direttamente nelle scuole (si veda Anthoine et al., 2010).

Attività didattiche all’ELSA
Immagine gentilmente concessa
da Francesco Marazzi

Una prima dimostrazione dei principi della dinamica delle strutture introduce i bambini ai concetti di frequenza propria, modi di vibrare e ai rudimenti relativi ai sensori di misura e di acquisizione dei dati. Viene quindi chiesto agli studenti di costruire piccoli edifici con speciali mattoncini di pietra e di provarli sulla tavola vibrante. I visitatori possono dare sfogo alla propria immaginazione: alcune case hanno molte porte e finestre mentre altre sono più simili a fortezze, a piramidi o a templi greci.

I modelli di case così realizzati sono quindi posti sulla tavola vibrante e sottoposti alla simulazione di un vero terremoto registrato. Viene chiesto agli studenti di descrivere quello che osservano e di proporre una spiegazione per la diversità di comportamento delle case sottoposte allo stesso terremoto. Si introduce così il concetto di rischio sismico, che è appunto la combinazione di vulnerabilità sismica (quanto un edificio è sensibile ai terremoti) e di pericolosità sismica (quanto può essere intenso il terremoto atteso in un dato luogo). L’unico modo per ridurre il rischio sismico è di ridurre la vulnerabilità; non abbiamo nessun potere sulla pericolosità!

Uno dei mezzi più efficaci per ridurre la vulnerabilità – l’isolamento alla base – può essere osservato anche sulla nostra piccola tavola vibrante posizionando la base del modello su tre piccolo cilindretti. Tali rulli permettono di separare l’edificio dal terreno impedendo così ai movimenti della tavola di trasmettersi alla costruzione. Si può valutare facilmente l’efficacia del sistema descritto provando simultaneamente due modelli identici, uno con isolamento alla base e l’alto senza: il terremoto distruggerà l’edificio non isolato, mentre l’altro rimarrà intatto.

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Author(s)

Il Dr. Francesco Marazzi è un professore di scuola superiore temporaneamente in aspettativa per svolgere all’ELSA un’attività di ricerca nel campo della sperimentazione dinamica e sismica delle strutture. Quando ritornerà in classe, l’esperienza accumulata in un laboratorio così grande ed avanzato gli permetterà di dimostrare ai suoi alunni quanto siano importanti la fisica, la matematica e l’informatica per il ‘mondo reale’. Nel suo lavoro all’ELSA, la matematica è utile per modellare un particolare fenomeno o per analizzare i dati. La fisica è utile per eseguire correttamente un esperimento, per sviluppare nuovi dispositivi di protezione sismica e per giudicare l’attendibilità dei risultati delle simulazioni e dell’analisi dei dati. Infine, l’informatica è lo strumento utilizzato in tutti i campi del suo lavoro di ricerca. In breve, questa sua esperienza lo aiuterà a motivare meglio allo studio i suoi studenti.

Il Dr. Daniel Tirelli è un ricercatore del Laboratorio Europeo per le Verifiche Strutturali (European Laboratory for Structural Assessment – ELSA) che fa parte del Centro Comune di Ricerca della Commissione Europea sito in Italia, a Ispra (Varese). Una delle attività dell’ELSA è la collaborazione allo sviluppo degli Eurocodiciw2, le normative europee per la progettazione degli edifici e delle altre opere di ingegneria civile che dovrebbero entrare in vigore nel 2010. Una di tali norme (l’Eurocodice 8) è dedicata al progetto di appropriate strutture anti-simiche e comprende diverse sezioni dedicate al progetto, alla prova e all’adeguamento delle strutture.


Review

L’articolo è particolarmente interessante perché espone chiaramente cosa viene fatto per progettare e provare sperimentalmente un edificio a prova di terremoto. L’articolo può essere utilizzato come introduzione per le onde in generale o più in particolare per le onde simiche in fisica oppure ancora per una lezione di geografia. È l’ideale per introdurre il tema dei terremoti perché spiega la loro natura e mostra per quale ragione gli ingenti danni provocati su una costruzione siano il risultato della legge di Newton. L’articolo può anche essere usato come base di partenza per una discussione riguardo alla distruzione causata dai terremoti, il loro impatto sulla società e cosa può essere fatto per limitarne il danno.

Inoltre questo articolo fornisce un vasto assortimento di ulteriori letture e di siti raccomandati che permettono agli studenti di rendersi conto di quanto la scienza possa essere utile per la società. Contribuisce a portare a conoscenza di studenti ed insegnati organizzazioni scientifiche come l’ELSA che lavora per migliorare la sicurezza dei cittadini. A volte tendiamo a perderci in formule e teorie e a considerare la scienza come qualche cosa di puramente accademico. Questo articolo, invece, dà un concreto esempio di come la scienza studiata in classe sia applicata a situazioni reali, come i terremoti, che sfortunatamente negli ultimi tempi si sono verificati in vari luoghi generando distruzione e caos.

L’articolo potrebbe essere utilizzato per esercitazioni di comprensione su argomenti che includono i terremoti come parte del programma di studio oppure, se i terremoti non ne fanno parte specificatamente, per trattare le onde. Alcune domande potrebbero essere le seguenti:

  1. Che cosa è un terremoto?
  2. Con riferimento alla seconda legge della dinamica di Newton, perché le forze che agiscono su un edificio sono così grandi durante un terremoto?
  3. Cita due tecniche usate per provare edifici anti-sismici. Spiega brevemente come funzionano.
  4. Dopo aver osservato i disastri naturali che hanno devastato alcune regioni negli ultimi anni, pensi che queste tecniche dovrebbero essere maggiormente utilizzate? Motiva la risposta.

L’articolo può essere utilizzato in modi diversi a seconda dei differenti gruppi d’età:

10-12 anni: per dare una descrizione generale di che cosa sia un terremoto e per informare gli studenti su quello che sta accadendo in Europa e nel resto del mondo.

12-15 anni: per introdurre l’argomento dei terremoti ed illustrare agli studenti la loro natura e come avvengono. L’articolo può essere utilizzato anche per mostrare loro che un’intera branca della ricerca scientifica è dedicata a studiare questi eventi ed a minimizzarne gli effetti.

Oltre i 16 anni: per introdurre l’argomento, che può poi condurre ad uno studio più dettagliato delle onde sismiche. Si può usare l’articolo per mostrare come la scienza sia utilizzata per il bene dei cittadini. Inoltre gli studenti possono indagare come i vari paesi affrontino i terremoti e come la scienza studiata sui banchi di scuola si applichi a casi reali.


Catherine Cutajar, Malta




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