Sismica: un po' di informazioni per capire

Salve amici.

In questa pagina metto alcune informazioni necessarie per consentirvi di interpretare alcuni concetti di sismica e soprattutto per capire un po' i rischi che corriamo. Parto da alcuni concetti, per capire  i termini della questione, e poi passo agli effetti sugli edifici.

Purtroppo devo dire che lo scrivo anche per consentire alle persone di districarsi un minimo nel mare di sciocchezze che sento dire e scrivere in televisione e sui giornali.

Lo scrivo infine per agevolare il mio lavoro, in quanto le persone con cui mi rapporto in questo periodo spesso mi chiedono informazioni su questi argomenti.

Prego gli amici "esperti" di spostarsi nella sezione "Professione Ingegnere", nella quale tratto alcune questioni di ingegneria di maggior interesse e con maggior precisione di linguaggio.
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1) COS'E' UN SISMA (o Terremoto):
Il sisma si genera dalla fratturazione di rocce presenti nel sottosuolo. Questa frattura è causata dai movimenti della crosta terrestre, i quali mettono sotto sforzo le rocce. Allorquando le rocce raggiungono il punto di rottura, si rompono violentemente e liberano l'energia immagazzinata.

Il "punto" (ma in realtà è una zona) in cui si forma il sisma si chiama IPOCENTRO. La proiezione verticale di questo punto sulla superficie terrestre si chiama EPICENTRO.

La profondità dell'ipocentro è solitamente dell'ordine della decina di chilometri. Un ipocentro di 60 km, ad esempio, può definirsi "profondo"; 6 km può definirsi "superficiale".

La frattura può essere lunga da pochi chilometri a molte decine di chilometri; spesso le fratture sono già presenti, quindi note da tempo e rappresentate graficamente su mappe.

All'atto della frattura, come detto, si libera energia. Quest'energia si trasmette tramite onde meccaniche, suddivise convenzionalmente in onde "P" ed onde "S". Esse si propagano per deformazione del terreno (onde "P" o "di compressione"; onde "S" o "di taglio". Cercate direttamente su internet qualche sito che spieghi questi aspetti. Ne ho trovati alcuni tempo fa molto belli, a scopo divulgativo, pensati per le scuole.

Queste onde hanno velocità di propagazione diverse fra loro, per cui in occasione di un sisma sono facilmente distinguibili: prima arrivano le onde "P" e poi le "S". Sulle superfici di discontinuità le onde deviano e si riflettono, per cui anche sulla superficie terrestre le onde si "combinano" e otteniamo un moto del terreno molto complesso, che distinguiamo, semplificando, in "sussultorio" (verticale) e "ondulatorio" (orizzontale). Le onde "verticali" di solito, nelle strutture ben costruite, non creano grossi problemi; quelle orizzontali, al contrario, creano parecchi problemi e danni all'edificio. Tuttavia certi edifici (di solito mal costruiti) possono danneggiarsi anche con le sole onde "verticali".

Le onde sismiche, oltre alla direzione, variano anche la loro velocità in funzione della "rigidezza" del mezzo che attraversano. Di conseguenza, passando dalla roccia (ipocentro) alla superficie, queste onde subiscono molte trasformazioni. Tralasciamo i motivi. Diciamo solo che i terreni piu' soffici creano effetti di amplificazione delle accelerazioni molto grandi, per cui questi problemi, denominati "studi di microzonazione", estremamente complessi anche dal punto di vista matematico e computazionale, sono tra quelli più studiati dagli anni '70 ad oggi. Il risultato di questi studi dovrebbe consentire, una volta attuati, almeno nei casi più semplici, di determinare la maggior pericolosità di certi siti rispetto ad altri.

Gli esperti di queste questioni sono i "geofisici", che solitamente sono laureati in fisica o ingegneria. Devo qui precisare che questi argomenti non sono di competenza dei geologi. I geologi si occupano d'altro.

2) COME SI CARATTERIZZA UN SISMA

Il sisma, abbiamo detto, viene registrato sulla superficie terrestre, tramite una rete di "sismografi" distribuita su tutto il territorio nazionale. Il sismografo è uno strumento che misura le accelerazioni massime del sisma col passare del tempo. Esso restituisce quindi un grafico che rappresenta una "funzione" a(t).

Questo grafico, detto accelerogramma, misura quindi il risultato della sovrapposizione di onde "P", "S" e di tutte le loro combinazioni, in quanto rilevato sulla superficie terrestre. L'accelerogramma che si ottiene varia molttissimo in funzione della posizione del "sismografo" rispetto all'ipocentro.

Dall'accelerogramma si estraggono molte informazioni che chiameremo, per semplificare, "parametri":

- un primo parametro, detto "Magnitudo" (Richter),  rappresenta una stima dell'energia liberata dal sisma. Da alcuni anni noi usiamo la scala Richter. Attenzione amici, la scala Richter è logaritmica, per cui un sisma di magnitudo 6 NON E' neppure paragonabile ad un sisma magnitudo 5. Non mi soffermo su questo, ma vi segnalo che su internet potete trovare approfondimenti.

- La Magnitudo è direttamente correlata all'accelerazione di picco. Ad esempio "0,125 g" è un dato possibile di accelerazione di picco di un sisma "medio" (dove "g" è l'accelerazione di gravità, legata alla forza peso per intenderci). Quindi un sisma, ad esempio, può avere un'accelerazione (orizzontale) tale da imprimere una forza orizzontale alla costruzione di 0,125 g, cioè un ottavo del peso della costruzione. Non è poco. E' tantissimo per un edificio "normale". Vi dico subito che, comunque, il dato di Magnitudo serve a poco o nulla. Non è un dato di progetto, per intenderci.

- Altro parametro importante che ricaviamo dall'accelerogramma è "il tempo", cioè la misura della durata del sisma. La durata è un dato importante per le costruzioni, in quanto essa è legata ad una sollecitazione di "fatica" sulle strutture.

- Altro parametro sono "le tre componenti dell'accelerogramma". Infatti in realtà noi misuriamo tre accelerogrammi contemporanei (non uno solo) in ogni epicentro (in realtà in ogni stazione). Otteniamo quindi:
1) L'accelerogramma "N-S"; caratterizza la componenete ondulatoria nord-sud
2) L'accelerogramma "E-W"; caratterizza la componenete ondulatoria est-ovest
3) L'accelerogramma "U-D"; caratterizza la componenete sussultoria verticale

Quindi il sisma, nella sua propagazione ha anche "una direzione" prevalente e più componenti

- Altro parametro è il "contenuto in frequenze". Qui la cosa diventa un po' più difficile da spiegare con termini semplici. Pensiamo che queste onde meccaniche che si trasmettono nel suolo siano come un "rumore sonoro". Un rumore si può scomporre in tutte le sue componenti dette "armoniche". Anche un sisma ha le sue "armoniche". Dentro all'onda sismica quindi abbiamo in realtà tante onde diverse sovrapposte. Ciascuna onda si caratterizza per la sua "frequenza", o il "periodo" (che è l'inverso) e la sua "ampiezza". Questo e' uno dei parametri "cruciali" nella progettazioni antisismica.

- Altro parametro è la "distanza dall'epicentro". Semplificando, è possiamo dire che più siamo lontani dall'epicentro e più il sisma perde energia, cioè si smorza. Attenzione però che se un sisma è profondo estende la sua area d'influenza molto di più di un sisma "superficiale". Inoltre, data l'enorme energia liberata, non è detto che a 300 km dall'epicentro non si possano avere forti danni ugualmente. Qui spunta di nuovo il comportamento "filtro" dei terreni attraversati (o effetti di sito - vedi dopo).

- Ultimo "parametro", tra quelli che vi segnalerei,  è il discorso "effetto di sito". Che significa? come abbiamo accennato, significa che queste onde meccaniche generate nella sorgente (frattura) prima di arrivare in superficie (ed impattare sugli edifici) vengono "filtrate" dal terreno. Il terreno, esendo un sistema "meccanico" piu' deformabile della roccia madre (ipocentro), modifica le caratteristiche delle onde sismiche: quindi succede che, sinteticamente, i terreni molto rigidi (tipo la roccia) lasciano quasi inalterate le armoniche del sisma, mentre i terreni deformabili (tipo le nostre argille) modificano spesso di parecchio le onde , creando i cosiddetti fenomeni di "amplificazione" delle accelerazioni al suolo e filtrano le frequenze, modificandole pure. Quindi, in terreni deformabili come i nostri (argille, limi, sabbie poco addensate), il precedente valore di "0,125 g" si amplifica (su certe armoniche) anche del doppio e oltre.

Come dicevo, gli effetti di sito vengono studiati con la "MICROZONAZIONE SISMICA". Potete cercare questo termine su internet, perchè è un  lavoro di studio importante delegato alle Regioni. Di questo sentiremo molto parlare e discutere nei prossimi anni.
 
I "Terreni Liquefacibili", ad esempio, creano effetti di sito drammatici. Segnalo, per inciso, che i terreni "liquefacibili" sono noti da sempre (non è una scoperta di oggi): sono terreni particolarmente problematici dove, da sempre, si "sconsiglia vivamente" (per non dire si vieta) l'edificazione. In caso di evento sismico questi terreni producono gli effetti che abbiamo visto. Quelle persone che purtroppo hanno costruito la casa su terreni suscettibili di liquefazione avrebbero dovuto costruire altrove.

Mi fermo qui, tralasciando il resto,  perchè è sufficiente per passare al discorso "danni agli edifici".

3) DANNI AGLI EDIFICI ESISTENTI (NON ANTISISMICI)

Quando questo sisma (o rumore di onde), dopo aver attraversato il sottosuolo, e dopo essere stato modificato nelle sue armoniche dagli "effetti di sito", impatta sulle fondazioni di un edificio, possono succedere cose totalmente diverse a seconda di come si comporta l'edificio stesso.

Ci sono infatti edifici "sensibili" alle onde di alta frequenza, o periodo corto; altri edifici invece sono sensibili alle onde di bassa frequenza (periodo lungo). Questo, semplificando, è il motivo per cui a volte vediamo edifici "alti" intatti, con a fianco edifici "bassi" crollati. A volte invece è il contrario.

Il contenuto energetico di ogni singola onda sismica è importante, ma più importante ancora è la "risonanza" dell'edificio. Mi spiego meglio.

Dobbiamo (semplificando) pensare all'edificio come a un grosso sitema meccanico dal comportamento "elastico" (tipo un sistema di molle),  dove ogni elemento resistente (molla) è legato in modo solidale all'altro (fondazioni, pilastri, travi, muri, ecc.). L'edificio, solitamente, è costruito per reggere azioni statiche (il peso, i carichi sui piani, la neve sul tetto). Negli edifici "bassi", come le case in muratura, come unica azione "non statica" si dovrebbe considerare l'azione del vento, ma quasi sempre si trascura, in quanto "irrilevante".

Il sisma, abbiamo detto, è un'azione dinamica, caratterizzata da un rumore di armoniche. Che fa l'edificio quando viene sollecitato da azioni dinamiche?

Come ogni sistema elastico, l'edificio, allorquando viene sollecitato da una forza dinamica, mostra dei "modi di vibrare" propri, dati dalla "combinazione" del comportanto dell'insieme di molle. Pensiamo alla corda di una chitarra: quando essa viene pizzicata, si mette a vibrare. Per l'edificio, all'incirca, è la stessa cosa.

Quando anche una sola delle armoniche del sisma coincide con la frequenza di un modo di vibrare "importante" (perchè non sono tutti uguali) dell'edificio, si innesca la risonanza. La risonanza "amplifica" le forze del sisma, a volte a tal punto da poter provocare il crollo dell'edificio, o di una sua parte.

Il crollo avviene, normalmente,  quando gli elementi resistenti della costruzione non reggono alle azioni di sollecitazione sismica, ma a volte avvengono anche per altre cause molto più "banali", come lo sfilamento di una trave dal suo appoggio o  la perdita di equilibrio di una parte (es. un muro troppo alto) non ben fissata.

A volte poi il distacco di un pezzo accessorio della costruzione può provocare morti o feriti: pensiamo ad un comignolo in muratura, la statua di una chiesa, un vaso, un pannello di tamponamento di un prefabbricato, ecc.

4) INTERPRETIAMO ORA ALCUNI CROLLI CHE ABBIAMO VISTO RECENTEMENTE

Premettiamo che si è trattato di un terremoto magnitudo 6, seguito da altri eventi di più bassa magnitudo, ma che hanno fatto forse più danni. Si tratta di terremoti "medi", non certamente forti, che però hanno causato morti, distrutto case e fabbriche. In effetti abbiamo capito che la magnitudo, in realtà, dice poco, perchè troppe altre questioni influenzano il danno concreto alle strutture (poi ci sono molte altre questioni che abbiamo tralasciato). Ma proseguiamo.

CAPANNONI IN CEMENTO ARMATO
Molti crolli sono stati causati da distacco di elementi prefabbricati della copertura dai loro appoggi. Le strutture prefabbricate in cemento armato costruite fino al 2006 (anno di entrata in vigore della zona sismica nella bassa padana) presentano elementi portanti appoggiati senza alcun vincolo (tegoli, travi). Questo significa che si rischia spesso il crollo di "pezzi" di copertura. Piu' raramente osserviamo il collasso di tutta la struttura, pilastri compresi, ma in certe tipologie non è da escludere neppure questa eventualità.

I capannoni in cemento armato hanno periodi propri di vibrazione abbastanza lunghi (qualche secondo). Se il sisma presenta forti armoniche di questo tipo allora difficilmente essi possono reggere, soprattutto su terreni argillosi come i nostri che tendono ad amplificare proprio queste armoniche a periodo lungo.

CHIESE.

Problema molto simile ai capannoni. Le chiese sono monumenti, per cui abbiamo anche problemi maggiori ad intervenire con i rinforzi.

Le chiese presentano grandi ambienti aperti con "masse" importanti collocate molto in alto. presentano quindi modi di vibrare con periodo lungo, come i capannoni. Inoltre presentano strutture a vulnerabilità "intrinseca": parliamo di volte, archi senza catena, muri a sbalzo (timpano di facciata), capriate di copertura con grande dimensione, pochi vincolamenti agli appoggi delle travi (spesso nessuno). Anche eliminando tutti questi aspetti "secondari", per questi edifici resta il problema della vulnerabilità (o scarsa resistenza) complessiva.

Le chiese hanno come unica riserva di resistenza propria la "geometria in pianta". Se chi le ha progettate ha avuto un minimo di sensibilità per la stabilità complessiva dell'edificio allora possiamo pensare di salvarle nei secoli, altrimenti, posto che non è pensabile di manometterne l'architettura, saranno destinate alla rovina.

Sono quindi destinate alla rovina le chiese molto alte, quelle con timpani enormi che presentano sbalzi molto alti oltre il tetto, quelle senza catene interne, quelle ad aula unica molto grande e molto alta, quelle con moltissime colonne e pochi muri, quelle con muri con moltissimi fori, ecc.

Sono a richio di crollo, per gli stessi motivi, i campanili, soprattutto a livello della cella campanaria, dove troviamo esili pilastrini con pesi enormi soprastanti.

TETTI IN LEGNO (in generale)

I tetti in legno devono essere:
- non spingenti sui muri;
- ben vincolati complessivamente, cioe ogni elemento deve essere vincolato agli altri elementi (di solito con ferri) e le travi devono essere ben vincolate ai muri;
- i muri devono presentare "cordoli di collegamento" con le travi; no  si possono avere travi o travetti semplicemente appoggiati sui muraturi.
In tutti gli edilici in muratura, ma soprattutto nelle case vecchie di campagna, il tetto fatto male è la prima causa di crollo. Un tetto ben "vincolato" può salvare tutta la casa.


CASE DI CAMPAGNA (intendo il modello della nostra bassa, con casa, porta morta e fienile).

Qui troviamo spesso la sommatoria di tutti i problemi: tetti non vincolati, strutture spingenti ai piani, muri troppo alti nei fienili, spesso gelosie che forano le murature. Sono i più "a rischio di tutti".

PALAZZINE IN CEMENTO ARMATO

Questi edifici normalmente sono i più sicuri. Tuttavia abbiamo assistito a lesionamenti notevoli di palazzine "ben costruite" (ma ovviamento non antisismiche) che lasciano inizialmente un po' perplessi. Dovremo noi ingegneri studiare bene le motivazioni, ma credo che il tutto sarà facilmente riconducibile ai fatti a noi noti, cioè (semplificando) a delle particolari armoniche di questo sisma emiliano-ferrarese (e agli effetti di sito di alcune zone).

Devo pero' dire che ci sono anche alcune costruzioni molto lesionate nelle cosiddette "pareti irrigidenti", spesso realizzate in muratura. Tuttavia queste palazzine sono perfettamente recuperabili.

In altri casi ho notato palazzine "a telaio" semplice, senza irrigidimenti, o con irrigidimenti eccentrici, totalmente irrecuperabili.

Occorrerà analizzare caso per caso, ma non c'è problema a livello di analisi delle cause perchè le conoscenze ingegneristiche le abbiamo. Il problema sarà come, eventualemnte, intervenire per "salvare" l'edificio

CASE IN MURATURA (O PICCOLE PALAZZINE A DUE PIANI)

Normalmente questi edifici, di livello "inferiore" come importanza e come "impegno" progettuale, non presentano problemi, se, dico SE, almeno è stata rispettata la normativa sulle costruzioni in muratura (D.M. '87).

Fin dall'antichità vi erano regole geometriche da rispettare per non avere "problemi" nelle costruzioni in muratura. Non sono mai state tradotte in Leggi dello Stato, fino a quando, con lo sviluppo edilizio forsennato e disordinato del dopoguerra, "qualcuno" ha iniziato a costruire in modo talmente azzardato e "fuori" dalle vecchie regole che, addirittura, il legislatore ha dovuto emanare una normativa (1987) per queste costruzioni minori. Risultato? niente. L'irresponsabilità di certi "tecnici", unita alle logiche del denaro e del guadagno a tutti i costi, hanno azzerato l'effetto della Legge.

In molti casi, quindi, questi edifici si presentano già lesionati per altri motivi, perchè i tecnici che operano in edilizia, che oltre tutto sono di varia formazione e cultura (geometri, ingegneri, architetti, a volte agronomi nelle costruzioni agrigole), da 40-50 anni si stanno comportando come cani sciolti, incuranti di tutto (soprattutto delle normative), costruendo un po' come ne hanno voglia o come "serviva", cioè con totale disinteresse alla statica delle costruzioni. Non parlo di sismica: parlo di statica. Lo dico perchè sono vent'anni che vivo personalmente questo problema e so quello che dico e scrivo. Quello che conta sono i metri quadrati da vendere, e conta soprattutto spendere poco. Questa è stata la filosofia fino ad oggi.

Spesso quindi gli edifici in muratura (case singole, villette a schiera, piccoli condominietti di due piani) presentano già molte lesioni, dovute semplicemente a problemi di statica. Ovviamente, senza il rispetto di quel minimo di regole costruttive note da sempre (e sempre applicate nel passato), anche quel minimo di resistenza sismica che un edificio deve possedere, semplicemente per la sua "stabilità", viene meno. Stiamo parlando quindi di COSE DA NON FARE MAI, di cui invece sono piene le nostre case. Faccio un piccolo elenco:
- finestre non allineate sui prospetti;
- parti di edifici poggianti su porticati (fatti magari con esili pilastrini in ferro o cemento armato);
- muri in falso, cioè muri portanti che appoggiano su travi;
- forature esagerate sui prospetti, specialmente portoni di autorimesse "esageratamente grandi" che lasciano pochissimo muro portante sulla facciata e sono al piano terra (che è il più sollecitato);
- solai del tetto che escono a sbalzo dai muri senza cordoli di collegamento (la famigerata "zambinatura";
- tetti in legno appoggiati sui muri senza alcun collegamento, coiè senza cordoli;
- muri tagliati alla base (per il problema dell'umidità);
- travi esageratamente lunghe, nelle case come nelle autorimesse, con ripartitori di carico fatti a occhio o assenti;
- archi spingenti, cioè senza catene, soprattutto negli edifici storici (case del centro storico) con tipologia "a schiera"
- case con muri portanti solo sul perimetro e internamente piene di pilastri;
- voltini in muratura, di limitatissimo spessore, poggianti in modo precario;

Facendo queste cose, la casa non è più una casa. E' un ambiente a rischio. Quello sopra è l'elenco delle vulnerabilità sismiche di un edificio in muratura. Chi ha fatto questi "casini" nella sua casa è meglio che pensi a risolverne almeno una parte.

A parte questi problemi, comunque, anche un edificio in muratura ben costruito ha i suoi limiti, per questi edifici NON SONO comunque sismo-resistenti,  come invece sento dire da qualche sciocco. Sono edifici ragionevolmente tranquilli, ma nulla di più. Anch'io abito in uno di questi. So che corro un rischio, ma non posso permettermi di meglio, per cui DEVO stare qui. Non è che l'ho scelto.