L'Italia è un paese caratterizzato da un'elevata sismicità, con numerose faglie attive che possono generare violenti terremoti. Pertanto, la progettazione antisismica riveste un ruolo cruciale nella realizzazione di costruzioni capaci di resistere alle scosse telluriche, limitandone i danni. Questo articolo esplorerà i concetti chiave alla base delle attuali tecniche di progettazione antisismica, con particolare attenzione alle nuove costruzioni.
Il Rischio Sismico: Un Approccio Probabilistico
L'analisi sismica delle costruzioni si basa su un approccio probabilistico, poiché non è possibile prevedere con certezza la posizione o l'intensità del prossimo evento sismico. Inoltre, ogni struttura può reagire in modo diverso allo stesso terremoto, rendendo impossibile eliminare completamente gli effetti di un sisma, ma solo mitigarli entro intervalli di tollerabilità accettabili. Dato che il fenomeno sismico ha una natura probabilistica e incerta, non può essere completamente eliminato.
Parlare di strutture "antisismiche" può risultare improprio, poiché attualmente non esiste una costruzione in grado di superare illesa con certezza assoluta un evento sismico. Questo concetto è ben chiaro agli addetti ai lavori, ma può creare confusione al di fuori dell'ambiente tecnico. Pertanto, l'obiettivo progettuale diventa la riduzione del rischio sismico attraverso la riduzione della vulnerabilità.
La Determinazione della Resistenza Sismica
Gli Stati Limite e 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 determinato obiettivo prestazionale, come la perdita di capacità portante. Le norme tecniche identificano quattro stati limite, a ciascuno dei quali è associato un "terremoto di progetto".
Questi terremoti di progetto differiscono in termini di probabilità di avvenimento durante una data finestra temporale e dell'intensità che manifestano sul 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. È importante sottolineare che "mediamente" non significa avere la certezza assoluta che se quel terremoto si è già verificato 475 anni fa, allora si verificherà di nuovo proprio ora. La norma considera esplicitamente la possibilità che la costruzione sia soggetta ad azioni maggiori di quelle considerate durante il progetto, con una probabilità accettata del 10%.
I Sistemi Antisismici a Controllo Passivo di Tipo Dissipativo
L'approccio progettuale introdotto nelle attuali normative si basa sui cosiddetti "sistemi a controllo passivo di tipo dissipativo". Questo significa che un terremoto fornisce energia in ingresso alla struttura, e se questa è troppa, si assiste a 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.
Tuttavia, è necessario valutare quale tipologia di danneggiamento si può accettare senza compromettere la stabilità complessiva della costruzione. La figura seguente cerca di chiarire il problema considerando l'esempio classico 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 a 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": l'obiettivo è limitare al minimo le crisi fragili, così da ridurre le rotture improvvise e lasciare solo delle deformazioni duttili della struttura in aree sicure.
Nell'ambito della progettazione antisismica, 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, ecc.
Il Danneggiamento delle Costruzioni Antisismiche
Una domanda comune riguarda la possibilità che un'abitazione antisismica possa danneggiarsi 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.
Il Dettaglio Costruttivo: La Chiave per la Progettazione Antisismica
Nella progettazione sismica, il dettaglio costruttivo riveste un ruolo fondamentale. Le zone imputate a dissipare devono essere realizzate considerando particolari accorgimenti di natura tecnica, pur mantenendo un sistema costruttivo realizzato con gli stessi materiali utilizzati in passato. Ad 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 cemento armato di un nuovo edificio antisismico ha un infittimento di armature nelle zone terminali, poiché 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 nel 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.
Il Quadro Normativo Italiano
L'Italia ha affrontato il tema delle zone sismiche già all'inizio del secolo scorso, a seguito dei terremoti di Reggio Calabria e Messina del 1908. Inizialmente, la mappa sismica era frutto degli eventi registrati in quegli anni, evidenziando come zone a rischio sismico quelle in cui si erano effettivamente verificati eventi e indicando come prive di rischio zone che, in realtà, erano sismiche.
Un cambiamento significativo è avvenuto con l'ordinanza n. 3274 del 20 marzo 2003, successiva al terremoto che colpì il Molise e la Puglia. Da quel momento, tutto il territorio nazionale è stato classificato come sismico, distinguendo quattro diverse zone da 1 a 4, che rappresentano livelli di pericolosità decrescenti.
Le Regioni hanno poi avuto la facoltà di modificare la classificazione del proprio territorio, senza andare sotto il livello minimo previsto a livello nazionale per quell'area. In alcuni casi, ad esempio, non si è utilizzata la classe 4, ovvero quella che indica la minor pericolosità, oppure si sono introdotte delle sottoclassi per specificare meglio le caratteristiche del luogo.
Un altro importante passo avanti è stato il DM 14 settembre 2005, che ha introdotto le Norme tecniche per le costruzioni, un unico testo di riferimento per il settore. Dopo un periodo transitorio durante il quale era possibile applicare la normativa precedente, il DM 14 gennaio 2008 ha approvato le NTC 2008, poi aggiornate nel 2018. Nel febbraio 2019, sulla Gazzetta Ufficiale sono state pubblicate le istruzioni per l'applicazione dell'Aggiornamento delle "Norme tecniche per le costruzioni".
Secondo queste norme, per ogni edificio si individua un valore di accelerazione di picco da utilizzare nei calcoli per la costruzione, che si ricava grazie alle coordinate specifiche del luogo. Infatti, al di là di quale sia la classe del comune di riferimento, il territorio si è suddiviso in una maglia che individua per ogni punto un valore di pericolosità. Questa maglia è fatta di quadrati di 5 km di lato e copre l'intero Paese.
Un ultimo riferimento da considerare sono le linee guida per la classificazione del rischio sismico delle costruzioni del 2020, che trattano anche le modalità per attestare l'efficacia degli interventi effettuati.
La Progettazione Antisismica: Un Approccio Integrato
Nella progettazione antisismica, diversi elementi devono essere presi in considerazione per garantire la sicurezza delle costruzioni. Tra questi:
-
Analisi geologica: Prima di costruire un progetto nuovo, è necessario valutare il rischio sismico della zona dove si ha intenzione di edificare. Inoltre, bisogna valutare l'effetto della risposta sismica locale sulla base dell'analisi delle caratteristiche topografiche e del sottosuolo.
-
Classificazione del rischio sismico: La classificazione del rischio sismico va dal grado 4 (zone grigie), rischio minimo, a 1 (zone rosse), il grado più alto. La progettazione antisismica diventa obbligatoria dalla zona 3 alla 1.
-
Rispetto degli Stati Limite: Nelle NTC del 2008 si impone il rispetto degli Stati Limite, ovvero è necessario fare in modo che ogni componente della struttura garantisca la sicurezza delle persone, subendo danni ma senza crollare.
-
Nuclei di irrigidimento: Sulla base dell'analisi geologica effettuata, la progettazione antisismica viene realizzata attraverso alcune tecniche e pratiche specifiche, tra cui il ricorso a nuclei di irrigidimento, ovvero setti o elementi tridimensionali rigidamente collegati con la struttura e che hanno lo scopo di assorbire le azioni orizzontali causate dal terremoto.
-
Nodi strutturali e geometrie regolari: Tutti i nodi strutturali devono essere progettati con molta attenzione ed è meglio optare per piante e geometrie regolari, in cui sviluppare a tutta altezza gli elementi rigidi verticali.
-
Giunti di separazione: Per interrompere la continuità della struttura, si possono utilizzare degli appositi giunti.
-
Fondazioni: Le fondazioni sono un elemento particolarmente importante, in quanto devono essere progettate e realizzate in modo da evitare che, in conseguenza ad un sisma, si verifichino spostamenti permanenti.
-
Dissipatori di energia: Nei punti più delicati o esposti alle sollecitazioni, è possibile collocare dei dissipatori di energia, in grado di assorbire le azioni deformanti e preservare la struttura.
-
Isolatori sismici: Gli isolatori sismici possono essere posizionati tra le fondazioni e la struttura verticale, in modo da isolare la frequenza della struttura da quella del terremoto e trasmessa attraverso le fondazioni.
Materiali e Soluzioni per l'Edilizia Antisismica
Nella realizzazione di edifici antisismici, la scelta dei materiali riveste un ruolo cruciale. In Italia, si prediligono l'acciaio, utilizzato anche per le strutture portanti, e il calcestruzzo armato, ampiamente diffuso sia per la realizzazione delle fondazioni che delle strutture portanti dell'edificio.
Il calcestruzzo armato è duttile e ha una buona capacità di assorbire le sollecitazioni sismiche. Tra gli altri vantaggi di questo materiale c'è la sua durabilità, poiché si deteriora in un periodo di tempo molto lungo. Tuttavia, nel caso si scelga questo materiale, è necessario rispettare la classe di resistenza minima e le modalità di armatura previste dalle Norme Tecniche, oltre a prestare molta attenzione nella realizzazione di ogni parte strutturale.
Anche il legno è considerato un materiale con buon comportamento sismico, in quanto è molto elastico e resiste alle scosse. Tuttavia, il rischio è che si creino fessurazioni in superficie, che espongono la struttura in legno a eventuale deterioramento. Sempre più spesso si prevede l'uso di materiali naturali, in grado di garantire sicurezza antisismica.
Non è un caso che in un paese come il Giappone, soggetto a terremoti continui e anche molto forti, l'architettura tradizionale antisismica si basi molto sull'uso di materiali naturali particolarmente elastici quali il legno e il bambù, cui si è poi affiancata un'edilizia che prevede l'uso di materiali più tradizionali ed occidentali, a partire dal cemento lavorato con innovative tecnologie che riescano ad assorbire le scosse.
Infine, gli edifici costruiti con carpenteria metallica garantiscono un'ottima risposta ai terremoti, in quanto in grado di assorbire molto bene le sollecitazioni sismiche.
Leggi anche tutto sulle case prefabbricate antisismiche
Interventi sugli Edifici Esistenti
Nel caso di edifici esistenti, l'approccio è differente, in quanto si interviene su strutture e materiali già in essere e acquisisce particolare significato il tema della compatibilità tra nuove soluzioni e costruito. Anche in questo caso, ovviamente, rimane fondamentale la competenza e la professionalità dei tecnici.
Un importante punto da chiarire riguarda l'obiettivo dell'intervento: si parla di miglioramento sismico quando si vuole migliorare la risposta di un edificio ad un evento sismico, mentre di adeguamento sismico se si mira al raggiungimento delle prestazioni previste dalle NTC per le nuove costruzioni. Cambia, quindi, il livello di riduzione del rischio raggiungibile.
La scelta non è sempre libera, in quanto in caso di sopraelevazioni, ampliamenti con opere connesse alle strutture esistenti, variazioni di destinazione d'uso e trasformazione radicale della costruzione, è obbligatorio l'adeguamento sismico.
Un edificio antisismico deve assicurare resistenza e rigidezza sufficienti a sopportare le azioni trasmesse dal sisma e le strutture devono essere progettate secondo il criterio della gerarchia delle resistenze, che rallenta il collasso dell'edificio, grazie ad una maggior duttilità della struttura.
Nel caso in cui si debba intervenire sugli edifici esistenti per attuare opere di rinforzo strutturale o adeguamento antisismico, è possibile ricorrere a prodotti specificatamente pensati per lo scopo, come le malte strutturali traspiranti. Queste soluzioni innovative combinano resistenza e flessibilità, rendendole una scelta versatile e affidabile per ingegneri e architetti impegnati nella protezione e nel rafforzamento delle strutture esistenti.
Tali malte sono particolarmente adatte per riparazioni e consolidamenti di murature portanti e di tamponamento, oltre che per la realizzazione di intonaci strutturali, il rinforzo di volte o coperture piane e come sottofondo per rivestimenti di facciata. Grazie alla speciale formulazione a base di calce idraulica naturale, rappresentano anche una scelta ecologica e sostenibile, eccellente sia nel settore del greenbuilding che del restauro storico.
Soluzioni Innovative per l'Efficienza Energetica e la Sicurezza Sismica
Nell'ambito dell'edilizia antisismica, si affiancano due tematiche di grande attualità: l'antisismica e l'efficienza energetica. Questo ha portato alla nascita di prodotti in grado di fornire prestazioni elevate in entrambi i casi.
Un esempio è il sistema modulare costituito da blocchi cassero preassemblati in EPS, utilizzabili per realizzare pareti portanti in calcestruzzo armato gettato in opera, con prestazioni di isolamento termico elevato. Una volta realizzata la parete, non resta che eseguire la finitura finale. Questo sistema può essere applicato anche in aderenza agli edifici esistenti, costituendo una struttura esterna sismo resistente e isolando termicamente l'edificio.
Altre soluzioni innovative prevedono la realizzazione di pareti ventilate integrate, in cui struttura, isolamento e ventilazione vengono ottenuti in un'unica posa. Questi sistemi garantiscono elevate prestazioni in termini di trasmittanza termica, resistenza al fuoco e isolamento acustico, riducendo al contempo i tempi e i costi di cantiere ed eliminando la necessità di manodopera specializzata.
Nel recupero di edifici esistenti, tecniche come quella della soletta collaborante con connettori certificati si sono rivelate efficaci per conferire ai piani la rigidità necessaria per dotare l'edificio del cosiddetto "comportamento scatolare" e incrementare la portata dei solai fino a raggiungere i carichi di progetto.