Costruzioni antisismiche: come sono fatte e come fanno a resistere ai terremoti

L'Italia nasce e si sviluppa dal punto di vista edilizio su un territorio a media-alta sismicità, caratterizzato dalla presenza di faglie in grado di dar vita a violenti terremoti. Per questo motivo è estremamente importante la progettazione antisismica, cioè la realizzazione di costruzioni che, grazie alle loro particolari caratteristiche, siano in grado di resistere alle scosse di terremoto, limitandone i danni. Questo breve articolo vuole quindi descrivere quali sono i concetti dietro le attuali tecniche di progettazione antisismica, con particolare riferimento alle nuove costruzioni.

Il rischio sismico per la progettazione antisismica

L'analisi sismica delle costruzioni è affrontata tramite un approccio probabilistico. In pratica, non si può avere certezza della posizione o dell'intensità del prossimo evento sismico, ma solo una valutazione probabilistica di questi dati. Dobbiamo poi conisderare che ogni costruzione può reagire in maniera differente allo stesso terremoto, quindi è chiaro come non sia possibile eliminare completamente gli effetti di un sisma, ma solamente mitigarli in intervalli di tollerabilità accettabili. Per sua natura, un fenomeno con base probabilistica, cioè incerta, non può essere eliminato.

Seguendo questa logica, parlare di strutture antisismiche può risultare relativamente improprio, in quanto effettivamente non esiste, ad oggi, una struttura in grado di superare illesa con certezza assoluta un evento sismico. Questo concetto è estremamente chiaro agli addetti del settore, ma può creare non poca confusione in un contesto lontano dall'ambiente tecnico. Chiarito questo importante dettaglio concettuale, l'obiettivo progettuale diventa la riduzione del rischio sismico attraverso la riduzione della vulnerabilità.

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

I terremoti di progetto

L'attuale filosofia progettuale si basa sulla caratterizzazione di diversi scenari, chiamati stati limite. Uno stato limite rappresenta il raggiungimento di un certo obiettivo prestazionale, come ad esempio la perdita di capacità portante. Le norme tecniche identificano quattro stati limite, a cui si associano altrettanti "terremoti di progetto".

Cosa cambia tra questi terremoti?
La probabilità di avvenimento durante una data finestra temporale e l'intensità che manifestano al sito di costruzione. Tra questi quattro, lo stato limite di salvaguardia della vita umana (SLV) rappresenta solitamente quello più importante in fase progettuale. In questo caso, per costruzioni ordinarie, la normativa prevede un'azione di progetto che mediamente si verifica ogni 475 anni durante la vita utile (Attenzione: mediamente vuol dire che non ho assoluta certezza che se quel terremoto si è già verificato 475 anni fa, allora si verificherà di nuovo proprio ora!). La probabilità accettata che si manifesti un terremoto di intensità maggiore è del 10%. Cioè la norma considera in maniera esplicita la possibilità che la costruzione sia soggetta ad azioni maggiori di quelle considerate durante il progetto!

Come funzionano i sistemi antisismici?

L'approccio progettuale introdotto nelle attuali normative si basa sui cosiddetti "sistemi a controllo passivo di tipo dissipativo". E che vuol dire?
Un terremoto fornisce energia in ingresso alla struttura. Se questa è troppa, si assiste ad un progressivo danneggiamento che può portare al crollo della costruzione. L'idea è quindi quella di favorire il danneggiamento in maniera controllata ed ottenere dissipazione energetica proprio da esso. Bisogna però valutare quale tipologia di danneggiamento si può accettare senza compromettere la stabilità complessiva della costruzione. La figura di seguito cerca di chiarire il problema considerando il classico esempio dell'anello debole di una catena, che può rompersi istantaneamente in modo fragile senza subire particolari allungamenti, oppure può allungarsi sensibilmente in modo duttile prima di rompersi.

Un danneggiamento duttile permette di dissipare molta più energia sismica rispetto ad uno fragile, preservando anche la stabilità della costruzione fino all'effettiva rottura. Sulla base di questa considerazione, entra in gioco il concetto di gerarchia delle resistenze: quello che viene fatto è limitare al minimo le crisi fragili, così da ridurre le rotture improvvise e lasciare solo delle deformazioni duttili della struttura in aree sicure. Nei fatti, l'ingegnere strutturista esegue calcoli specifici per assicurarsi che ciò avvenga e segue particolari prescrizioni normative che lo indirizzano in alcune scelte progettuali. Tra questi, vale la pena citare una serie di requisiti di carattere globale che garantiscono un comportamento d'insieme duttile: forme strutturali regolari, limitate variazioni delle masse in altezza, simmetria e ridondanza strutturale, etc.

Il danneggiamento delle costruzioni antisismiche

Una domanda che spesso ci si chiede è se la propria abitazione antisismica si possa danneggiare in caso di terremoto. La risposta è: potenzialmente sì, anche se il terremoto coincide proprio con quello di progetto! Il grado di danneggiamento osservato è strettamente collegato all'intensità del terremoto che impatta la struttura. Se il danneggiamento è importante, anche una crisi duttile può portare alla rottura. L'idea è quella di posticipare questa rottura confidando nella duttilità anche per terremoti di molto superiori a quelli di progetto.

Come viene fatto questo?

Nella progettazione sismica la fa da padrone il dettaglio costruttivo. Le zone imputate a dissipare devono essere realizzate considerando particolari accorgimenti di natura tecnica, pur mantenendo un sistema costruttivo realizzato con gli stessi materiali che si utilizzavano anni fa. Per esempio, negli edifici in cemento armato viene posta particolare attenzione alle estremità delle travi e dei pilastri.

Rispetto a quanto veniva fatto in passato, una trave in c.a. di un nuovo edificio antisismico ha un infittimento di armature nelle zone terminali, in quanto sono proprio queste le zone in cui si concentrerà il danneggiamento duttile. In un edificio di acciaio, i collegamenti tra gli elementi saranno molto più resistenti del necessario, proprio perché non progettati nei confronti delle azioni esterne agenti, ma considerando che si possa sviluppare la massima resistenza dell'elemento collegato. Si parla infatti di gerarchia delle resistenze proprio perché le resistenze diventano a loro volta il punto di partenza per il progetto di altri elementi con un preciso ordine gerarchico.

La prevenzione nei confronti del costruito esistente

Gli edifici esistenti realizzati fino ai primi anni 2000 non rispettano i criteri di progettazione esposti e risultano quindi più vulnerabili di quelli progettati ex-novo. La vulnerabilità di una struttura esistente richiede una valutazione ad-hoc caso per caso e specifiche indagini atte a verificare lo stato di conservazione dei materiali, nonché l'effettiva conformità al progetto originario. Interventi di ogni ordine e grado sono poi pensati, ingegnerizzati e realizzati per migliorare la risposta sismica attesa, anche sfruttando le tecniche di dissipazione per danneggiamento discusse in precedenza. Una storia tanto lunga quanto affascinante, che richiede opportune riflessioni del caso.