Azione del sisma sulle costruzioni: teoria e intuizioni

I metodi di calcolo più diffusi (metodi lineari) valutano gli effetti del sisma mediante l’applicazione di forze equivalenti o mediante l’applicazione di spostamenti secondo i modi di vibrare dell’edificio (ai quali viene applicata l’accelerazione spettrale).

In realtà, il fenomeno fisico è regolato da due elementi fondamentali:

Il moto del terreno superficiale è determinato, oltre che dalle caratteristiche delle onde sismiche, dalle caratteristiche delle strutture stratigrafiche che vengono attraversate dalle onde. Ciò può determinare effetti più o meno marcati di amplificazione delle accelerazioni in superficie (“effetti di sito” o “risposta sismica locale”).

Questi aspetti teorici sono convalidati da casi realmente accaduti. Tra questi ricordiamo il terremoto di Città del Messico (1985), in cui le particolari caratteristiche del sottosuolo e della morfologia locale hanno comportato una notevole amplificazione sismica nonostante l’epicentro sia stato a circa 400 Km di distanza.

Il sottosuolo di Città del Messico è caratterizzato da sedimenti alluvionali di tipo lacustre molto più deformabili rispetto alle rocce vulcaniche del bordo della valle (poche migliaia di anni fa al posto della città sorgeva il Lago Texcoco). Nella Figura 1, da notare la differenza di ordinate tra gli accelerogrammi dei punti denominati “UNAM” e “SCT”.

I danni del terremoto di Città del Messico furono ulteriormente incrementati dal fenomeno della doppia risonanza (terreno e strutture iniziarono a oscillare alla stessa frequenza) e da fenomeni di rimbalzo delle onde lungo i bordi chiusi del bacino della valle.

I parametri che caratterizzano il moto del suolo sono l’ampiezza dell’onda (in termini di PGA), la durata dell’evento e il contenuto in frequenza. Proprio quest’ultimo parametro determina quali costruzioni probabilmente subiranno più danni. Ciò avviene tramite i fenomeni di risonanza, in cui il periodo di vibrazione fondamentale dell’edificio risulta compatibile con il contenuto in frequenza delle onde sismiche.

A questo proposito, un’altra particolarità del terremoto di Città del Messico sta nel fatto che i danni maggiori sono stati subiti dagli edifici di altezza dai 6 ai 15 piani (range di corrispondenza dei periodi con il contenuto in frequenza). E’ proprio questo aspetto che caratterizza la reazione degli edifici. Ogni costruzione nel suo complesso risponde in maniera diversa al moto del terreno. La forma assunta dalla deformata nel tempo è determinata principalmente dal modo di vibrare fondamentale, l’entità delle accelerazioni è invece funzione del periodo di vibrazione fondamentale.

Lo spettro di risposta, il quale è lo strumento principale utilizzato per la progettazione antisismica, è costruito proprio diagrammando la risposta in accelerazione con il periodo di vibrazione di diversi oscillatori semplici. Ne deriva che, per i valori tipici degli eventi sismici, alcuni tipi di strutture hanno più probabilità di entrare in risonanza sia con il suolo che con le onde sismiche.

Recente ed amara conferma di ciò l’abbiamo avuta per l’evento che ha colpito Amatrice nel 2016. Alle prime scosse hanno resistito il tristemente famoso “edificio rosso” e il campanile di Amatrice (Figura 4). In quel caso il contenuto in frequenza è stato tale da “eccitare” maggiormente le strutture con periodo tra 0.1 e 0.2, valori tipici per gli edifici in muratura di uno o due piani.

L’edificio rosso, così come il campanile, presentava un periodo di vibrazione fondamentale più alto. Da queste considerazioni è possibile affermare che la “progettazione del periodo” di vibrazione è la fase in cui ogni progettista dovrebbe concentrare maggiormente la sua applicazione. Questo aspetto può essere correttamente eseguito se:

Dopo aver stimato la zona di risonanza dello spettro è possibile scegliere la tipologia strutturale e dimensioni tali da allontanare il periodo fondamentale (per ogni direzione) dal tratto di risonanza. Da questi pochi concetti possiamo intuire che il metodo più efficace (e secondo me – in assoluto) di protezione sismica risulta essere l’isolamento sismico (Figura 5).

Osservazione: vista la natura della genesi e dell’amplificazione del sisma, i valori alti di periodo di funzionamento del sistema di isolamento (dai 2.5 ai 3 secondi) sono sicuramente diversi da fenomeni distruttivi critici, qualsiasi sia l’entità della magnitudo dell’evento e il periodo predominante del suolo.

Proprio sul parametro magnitudo facciamo qualche ulteriore considerazione. In base ai concetti espressi (accoppiata moto del terreno e risposta della struttura) il progetto strutturale non viene basato sulla magnitudo ma sulle accelerazioni prodotte. La magnitudo (energia meccanica sprigionata all’ipocentro) viene implicitamente utilizzata in fase di costruzione degli spettri di progetto, in quanto essi sono elaborati con metodi probabilistici che tengono conto di varie coppie magnitudo-distanza.

Dal quadro proposto sembrerebbe che dobbiamo arrenderci alla casualità (per il patrimonio esistente, ahimè, forse è così). Solo un approccio serio al problema può aumentare sensibilmente la sicurezza. Le “armi” più efficaci a disposizione della comunità per mitigare sempre di più i danni e le perdite sono la conoscenza dei fenomeni e una politica governativa sempre più attenta al patrimonio edilizio esistente.

Parallelamente è fondamentale la divulgazione e la cultura dell’idea che dobbiamo convivere con la presenza invisibile del sisma. Dobbiamo ricordarcene prima che accadano gli eventi negativi, quotidianamente nella nostra professione, agendo di conseguenza con le più moderne risorse e tecnologie possibili.

 

Link di riferimento:

– Risposta sismica locale: Fondamenti teorici e modellazione numerica – G. Lanzo
– Amplificazione dei terremoti, 28 anni fa il terremoto di Città del Messico diventava un caso di studio – L. Pasqualini
– Terremoto, gli ingegneri sismici spiegano i motivi dei crolli – Intervista a E. Cosenza
– Misure di rumore ambientale – D. Albarello