Cosa succede alle piscine a sfioro sui tetti dei grattacieli durante il terremoto

Le piscine a sfioro nei grattacieli interagiscono con i movimenti sismici dell'edificio attraverso il fenomeno dello "sloshing", come evidenziato dai video a Bangkok del terremoto 7.7 in Myanmar. Questo fenomeno, pur potendo offrire benefici al comportamento strutturale, non può essere considerato nella fase di progettazione a causa delle molteplici variabili in gioco.

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A cura di Gaetano Cantisani

Il recente terremoto in Myanmar di M7.7 dello scorso 28 marzo continua ad essere al centro dell'attenzione mediatica globale, soprattutto in ragione dell'importante e crescente numero di vittime causato e dei crolli strutturali osservati, che hanno coinvolto diversi grattacieli, alcuni addirittura ancora in costruzione. Gli effetti del terremoto sono documentati non solo dai crolli, ma anche dalle registrazioni video delle vistose oscillazioni orizzontali di diversi grattacieli e dagli effetti del moto ondoso delle acque delle piscine a sfioro, presenti in quota in molti di questi edifici. Sorge spontaneo chiedersi quale sia l'effetto e il ruolo delle piscine sul comportamento strutturale di questi grattacieli e quanto può essere pericoloso, in situazioni come queste, avere un edificio con una massa di acqua a quote così alte.

Gli effetti del terremoto sull'acqua: lo sloshing

Il movimento dell'acqua durante eventi sismici, come quelli verificatisi lo scorso 28 marzo, viene identificato con il termine tecnico di sloshing. Questo fenomeno fisico rappresenta niente altro che il movimento della massa di acqua all'interno di un recipiente quando eccitata dagli spostamenti del recipiente stesso che la contiene. Nei fatti, la massa di acqua vorrebbe per inerzia mantenere la sua posizione iniziale, ma si deve adattare al movimento del suo contenitore: si instaura così uno scambio di forze tra il fluido e le pareti che lo contengono, sfociante in complesso regime di pressioni idrauliche del fluido stesso che è possibile identificare come:

una componente convettiva, cioè quella che subisce effettivamente il moto di sloshing;
una componente impulsiva, ovvero quella che si muove in unisono con il contenitore.

Gli effetti dello sloshing sulle strutture

Dobbiamo anzitutto distinguere due tipologie di effetti:

Quello che accade localmente alle pareti che compongono il contenitore del fluido;
Quello che accade globalmente alla struttura vista nella sua interezza, fino alle fondazioni.

Come abbiamo detto, il movimento dell'acqua genera un nuovo regime di pressioni, quindi cambia le forze che sollecitano le pareti del contenitore, aggravando le stesse durante il moto sismico in un qualche istante di tempo. Questo vuol dire che, quando si realizza una piscina in quota, sarà necessario tenere conto di questi effetti, in quanto la struttura – durante il suo movimento generato dal terremoto – può eccitare a sua volta la massa di acqua e generare quindi un regime di sollecitazioni che condiziona il dimensionamento del contenitore.

Va anche però considerato che questo stesso movimento causa la nascita di una nuova forza che globalmente sollecita la struttura, tendenzialmente con direzione opposta a quella presente per effetto del terremoto: questa forza – che contribuisce globalmente all'equilibrio del sistema – può agire beneficamente nei confronti della resistenza e della stabilità della struttura, permettendo al sistema edificio + piscina di contrastare in modo tendenzialmente migliore le azioni sismiche sollecitanti.

Ma quindi vuol dire che è grazie a queste piscine a sfioro che questi edifici non sono crollati?

Certo che no, una piscina a sfioro non è pensata/realizzata per partecipare strutturalmente all'equilibrio dinamico in caso di terremoto, non è qualcosa che si è portato direttamente in conto in fase progettuale. Questo perché tendenzialmente il sistema ha intrinsecamente molte incertezze che ne potrebbero far vacillare l'efficacia. Per esempio, se così fosse vorrebbe anche dire che la piscina stessa non potrebbe mai essere svuotata, perché – enfatizzando – è come se stessimo togliendo una trave o un pilastro alla struttura!
Piuttosto, sarà stato di certo necessario, in fase di progetto, portare in conto gli effetti locali prima discussi, per ottenere un contenitore sufficientemente rigido e resistente anche in condizioni estreme come queste.

L'utilizzo dei Tuned Liquid Dampers

Il concetto che abbiamo prima esposto può però essere ingegnerizzato, quindi utilizzato in modo razionale per controllare la risposta strutturale durante le vibrazioni di una struttura. In questo caso, si parla di TLD (Tuned Liquid Dampers). Il meccanismo di funzionamento è in tutto e per tutto analogo a quello delle masse accordate, come per esempio quella presente all'interno del Taipei 101, soltanto che in questo caso è la massa di acqua a essere "accordata", in modo tale che sia il suo stesso movimento a garantire la giusta dissipazione energetica in ingresso. Un esempio di questa applicazione è il Comcast Center, un grattacielo di Philadelphia che contiene in una camera 1 100 m³di acqua che evitano allo stesso di manifestare forti oscillazioni sotto le azioni del vento. Il moto ondoso è in questo caso controllato e la massa di acqua non può disperdersi aleatoriamente, come può avvenire invece nelle piscine a sfioro in quota. Lo stesso quantitativo di acqua non è introdotto casualmente, ma ingegnerizzato per garantire l'effetto strutturale smorzante desiderato.