Come si fa a determinare quanto una costruzione può resistere ad un terremoto?

Quando si verifica un evento sismico estremo, come è successo per esempio all'inizio del 2024 in Giappone, si torna a pensare a quanto le nostre abitazioni siano soggette a rischio di crollare sotto gli effetti di un terremoto.

Gli ingegneri hanno oggi a disposizione potenti mezzi di simulazione per prevedere ragionevolmente la risposta sismica attesa di un fabbricato. In ambito tecnico, la caratterizzazione avviene tramite la quantificazione numerica del cosiddetto indice di rischio, un parametro riassuntivo che compara la performance sismica attesa con quella che dovrebbe avere lo stesso edificio se progettato oggi. Ma come si calcola questo indice, e come questo indice può guidare eventuali strategie di mitigazione del rischio sismico?

Da cosa dipende l'indice di rischio sismico

L'indice di rischio deve essere definito a partire da chiari dati di input, che l'ingegnere utilizza per la creazione di un modello matematico della struttura in esame, nonché per l'effettiva gestione dei risultati ricavabili dall'analisi. I tre  parametri principali da prendere in considerazione sono la collocazione dell'edificio, la classe d'uso e la vulnerabilità strutturale.

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Per prima cosa è necessario definire compiutamente il sito dove è collocata la costruzione e quali sono le caratteristiche dei terreni di fondazione della stessa. Infatti, ogni sito ha una data pericolosità sismica, che dipende solo dal sito di riferimento. Oggi le mappe di pericolosità sismica sono così dettagliate da dare informazioni puntuali su tutto il territorio italiano, permettendo un confronto di pericolosità sismica a scala comunale.

In secondo luogo, è necessario definire compiutamente che utilizzo si fa del fabbricato, ovvero va affrontata  la definizione della classe d'uso. A parità di sito, strutture con differenti classi d'uso concorrono alla definizione di un rischio sismico differente, in quanto cambia il secondo ingrediente fondamentale, noto come esposizione. Per esempio, un ospedale ha una esposizione di gran lunga maggiore, quindi avrà un maggiore rischio sismico atteso a parità di sito di costruzione.

Se in questi primi due macro-parametri non è possibile intervenire in alcun modo, il terzo ed ultimo parametro rappresenta la valutazione effettiva a carico dell'ingegnere strutturista. Si tratta della vulnerabilità strutturale, ovvero l'effettiva misura della performance sismica attesa. Questa varia da struttura a struttura e dipende anche dal suo stato di conservazione.

Come si usa l'indice di rischio sismico

Tramite la definizione di questi tre macro-parametri è possibile definire compiutamente l'entità dell'evento sismico che causerà la “crisi” della struttura, in ragione delle valutazioni tecniche a carico dell'ingegnere. Per “crisi” si intende l'identificazione di un fenomeno fisico a cui viene convenzionalmente attribuita la perdita di funzionalità strutturale dell'edificio, sebbene questo continui a conservare una sua robustezza tale da mantenerlo distante da un vero e proprio crollo.

Questo dato va poi confrontato con il target prestazionale della struttura (entro cui in sostanza non far verificare alcuna crisi). Si confronta cioè l'entità dell'evento sismico che causa la crisi della struttura esistente con l'entità dell'evento sismico per cui (superato il quale) la crisi è attesa e accettata, secondo quanto attualmente normato.

Si tratta in sostanza di un rapporto tra l'accelerazione sismica del suolo che causa la crisi dell'edificio esistente e quella che avrebbe dovuto causare tale crisi per una nuova costruzione. Il rapporto tra questi due valori di accelerazione diventa un indice percentuale, perché rappresenta una misura di quanta accelerazione effettivamente riesco a sopportare.

I valori dell'indice di rischio in Italia

Il valore che assume l'indice di rischio, per come è stato definito, varia tra 0% e 100%. Al di sopra di 100% si certifica che la struttura è in grado di contrastare senza problemi tutta l'azione sismica di progetto, quindi la stessa si dice sismicamente adeguata. In caso contrario, si parla di struttura non adeguata sismicamente e il livello percentuale stimato offre un giudizio oggettivo sulla capacità sismica del fabbricato analizzato.

Per strutture esistenti costruite intorno agli anni '60 – una porzione significativa del patrimonio edilizio italiano – si stimano mediamente indici di rischio nell'ordine del 20%-40%, sia per strutture portanti in muratura che in cemento armato. Difficilmente si trovano in Italia strutture esistenti in grado di avere un indice di rischio del 100%, anche perché la normativa sismica ha subito una importante evoluzione, soprattutto negli ultimi 20 anni, e molte deficienze strutturali osservate sono relative proprio a un incremento delle azioni sismiche di progetto (come se aumentasse il denominatore dell'indice di rischio, appunto).

Come si stima la vulnerabilità strutturale

La stima dell'effettiva vulnerabilità strutturale è il punto cruciale della definizione della performance sismica attesa. Questo è compito dell'ingegnere strutturista. In ragione del livello di approfondimento, si possono ottenere indici di rischio variabili da valore sensibilmente bassi, anche nulli in alcuni casi, fino a valori nell'ordine dei numeri discussi prima. Cosa fa la differenza?

La struttura da analizzare necessita di alcune indagini preliminari che ne caratterizzino un adeguato livello di conoscenza preliminare. In sostanza, l'ingegnere deve sapere questa struttura come è fatta, quale è la tecnologia costruttiva e quali sono i materiali strutturali utilizzati. Inoltre, deve avere chiara contezza della resistenza di questi materiali: sarà quindi necessario procedere tramite l'ausilio di laboratori specializzati per perseguire opportune indagini conoscitive del fabbricato. Il livello di approfondimento delle indagini incide sul grado di sicurezza che si riscontrerà in fase di analisi, in quanto le norme attuali puniscono esplicitamente (mediante maggiore severità nei coefficienti di sicurezza) le valutazioni che hanno un livello di conoscenza ridotto in partenza.

Secondo elemento fondamentale per una realistica stima dell'indice di rischio è la costruzione di un opportuno modello matematico della struttura, nonché l'utilizzo di un adeguato livello di analisi. La risposta strutturale sotto azioni sismiche richiede conoscenze approfondite da parte del valutatore, tuttavia le attuali norme consentono l'utilizzo di livelli di dettaglio e di analisi di difficoltà crescente, per cui possono essere solitamente utilizzati anche modelli e metodi di analisi più semplici: si paga pegno nella stima dell'indice di rischio, che risulterà giocoforza sottostimato con l'utilizzo di strumenti e analisi a carattere più conservativo.