12 dicembre 2017

Le strategie contro i terremoti

L’adeguamento sismico sono tutta quella serie di interventi atti a conseguire i livelli di sicurezza previsti dalle stesse norme tecniche. Si tratta, spesso, di interventi molto onerosi sia dal punto di vista tecnico che economico. Strategie di adeguamento sismico (o seismic retrofit) sono state sviluppate negli ultimi decenni in seguito all'introduzione di nuove norme anti-sismiche e alla disponibilità di materiali avanzati (ad es. polimeri rinforzati con fibre (FRP), calcestruzzo rinforzato con fibre e acciaio ad alta resistenza). 

Tra le varie strategie che si possono attuare ci sono: l'incremento della capacità globale, che viene ottenuto con l'aggiunta di controventi o di nuovi muri portanti; la riduzione della domanda sismica grazie a elementi dissipativi supplementari e l'utilizzo di sistemi per l'isolamento della base dell'edificio dal movimento sismico; l'aumento della resistenza (capacità locale) degli elementi strutturali; l’eliminazione delle connessioni rigide tra gli edifici e loro eventuale sostituzione; il retrofit tramite indebolimento selettivo. Quest’ultima è una strategia contro-intuitiva per cambiare i meccanismi anelastici della struttura, pur riconoscendo la capacità intrinseca della struttura. Ad esempio in edifici che non possono oscillare liberamente (e che quindi tenderebbero a rompersi in alcuni punti cruciali per evitare il collasso sotto stress), come quelli con la base a forma di "L", si facilita la rottura nel punto di contatto tra le due ali della struttura, separandole durante il sisma. 

Le tecniche più comuni di retrofit antisismico possono essere classificati in diverse categorie: 

Il cemento armato precompresso nasce per utilizzare in modo più completo le resistenze dei materiali (a compressione del calcestruzzo ed a trazione dell’acciaio). L’idea alla base della presollecitazione ha il suo fondamento nel sottoporre il calcestruzzo, prima di applicare i carichi esterni, ad una compressione in tutte quelle parti in cui i carichi esterni produrranno trazioni; in tal modo questi avranno l’effetto di attenuare le compressioni inizialmente conferite. L'utilizzo di sistemi post-tesi tramite vibratori esterni è stato sviluppato nelle decadi 1990-2010. Sotto il programma PRESS (Precast Seismic Structural Systems), un programma di ricerca congiunta degli Stati Uniti e del Giappone, sono stati collocati tendini d'acciaio di alta resistenza non legati, per fungere da post-tensori in modo da ottenere un sistema che può resistere ai momenti delle forze auto-centrandosi. Il cemento precompresso può aumentare la resistenza di elementi strutturali come assi portanti, colonne e i giunti tra asse e colonna. 

Tra i più efficaci sistemi innovativi che portano a livelli insolitamente elevati la capacità di risposta sismica di un edificio, l'Isolamento alla Base è quello di più semplice applicazione. Si presta in modo particolare ad essere utilizzato per la protezione sismica di ospedali, di scuole e di tutte quelle costruzioni che, per la loro importanza strategica, richiedono la garanzia di operatività in occasione dei terremoti più violenti. Poiché una progettazione accorta non comporta aumenti di costo significativi, le applicazioni tendono già a riguardare anche gli edifici di normale abitazione. Per isolamento alla base si intende una serie di elementi strutturali aggiunti oppure originari in un edificio che dovrebbero disaccoppiare la struttura dell'edificio dal terreno in movimento proteggendo in questo modo l'integrità dell'edificio e migliorando la sua prestazione sismica. Questa tecnologia di ingegneria sismica, che è un tipo di controllo delle vibrazioni sismico può essere applicata sia a un edificio di nuova progettazione che per il retrofit delle strutture esistenti. In occasione di un forte attacco sismico la costruzione, o importanti porzioni di essa, devono poter modificare le loro posizioni nello spazio rispetto alla normale condizione statica di riposo. In questo modo è possibile ottenere una significativa dissipazione di energia, grazie alla deformazione (elastica, plastica o viscosa) di dispositivi montati tra l’intero edificio ed il terreno, oppure fra le parti in moto relativo. Normalmente, si scava attorno all'edificio e l'edificio viene separato dalle fondamenta. Le colonne del primo piano vengono sostituite con colonne in acciaio. Al di sotto del solaio del primo piano vengono inserite numerose travi in acciaio in modo da renderlo più resistente. Il punto di contatto tra le colonne del piano terra e il solaio del primo piano viene tagliato (previo inserimento di colonne mobili in acciaio, con estensori a controllo idraulico, per evitare il crollo) e nella parte asportata vengono inseriti degli isolatori, che possono essere dei piatti in acciaio all'apice della colonna (controllano meglio i movimenti di vibrazione verticale) che reggono una testina che funge da base alla colonna portante dei piani superiori, oppure dei cilindri isolatori in alcune gomme o resine speciali, con molle o piani in acciaio (resistono meglio ai movimenti sussultori verticali), che sostituiscono il materiale rimosso. Mentre l'isolamento alla base tende a restringere la trasmissione del movimento dal suolo all'edificio, grazie ad accorgimenti geometrici (studiati al computer) mantiene l'edificio posizionato in modo adeguato sopra le fondamenta. 

Un altro tipo di intervento con il quale si possono migliorare notevolmente le prestazioni sismichedegli edifici consiste nell'inserirvi appositi Sistemi Dissipativi. Smorzatori, o dissipatori, sismici assorbono l'energia della vibrazione sismica e la convertono in calore, in questo modo riescono a "smorzare" gli effetti di risonanza in strutture che sono connesse in modo rigido al suolo. Nella maniera più semplice i dissipatori possono essere inclusi nelle maglie delle strutture intelaiate al posto degli irrigidimenti diagonali, tipici delle costruzioni metalliche, allo scopo di dissipare energia come lavoro compiuto durante gli scorrimenti di piano imposti dal sisma. In alcuni casi, il pericolo di crollo non proviene dalla scossa iniziale, ma piuttosto dai movimenti di risonanza periodica della struttura che ripetuti movimenti del terreno inducono. Il criterio di ottimizzazione progettuale consiste nel bilanciare opportunamente resistenza e deformabilità della struttura principale sia allo stato limite elastico, sia allo stato limite ultimo, rispetto alla capacità dissipativa anelastica dei dispositivi. Il ricorso a sistemi dissipativi è in genere meno efficace dell'Isolamento alla Base, perchè la dissipazione richiede necessariamente deformazioni non piccole delle strutture. Il sistema si è rivelato comunque molto efficace in alcune applicazioni fatte per adeguare costruzioni esistenti. - Gli smorzatori a massa accordata o TMD sono dispositivi in grado di realizzare un "assorbimento armonico", basato su una massa "sintonizzata" (o "accordata") che contrasta la frequenza sismica, smorzandola. In generale il TMD è costituito da una massa collegata ad una struttura attraverso un sistema di molle e uno smorzatore viscoso, ed è posto preferibilmente in un punto della struttura dove le oscillazioni sono maggiori. Questi vengono impiegati tipicamente per ridurre l'oscillazione dovuta al vento in edifici molto alti e leggeri. - Uno "slosh tank" è un grosso serbatoio pieno di fluido viscoso collocato nei piani più alti. La tecnica si chiama “seismic retrofit”, ossia un adeguamento antisismico che si può applicare ad edifici già costruiti ed è un sistema nel quale gli ingegneri italiani sono all’avanguardia a livello mondiale. Durante un evento sismico, il fluido di questo serbatoio oscillerà avanti e indietro, ma il suo movimento viene rallentato e deviato da intercapedini - alette che prevengono che il serbatoio stesso entri in risonanza con le onde sismiche; costituendo una massa importante l'acqua può cambiare o contrastare totalmente il periodo di risonanza dell'edificio. Può essere considerato una tecnica concettualmente analoga ai suddetti smorzatori a massa accordata. Inoltre l'energia cinetica viene in parte convertita in calore dalle alette che viene dissipata nell'acqua - anche se qualsiasi aumento di temperatura sarà insignificante. 

Nell’ambito del controllo attivo (e semi-attivo) si hanno quei sistemi dotati della capacità di invertire il processo dinamico mediante apporto di potenze meccaniche esterne in funzione dello stato istantaneo generato dall’insieme delle azioni applicate al sistema, in modo da regolarne più favorevolmente il processo dinamico. Questa soluzione si basa sull’inserimento in uno dei piani superiori una pesante massa, costretta, ma libera di muoversi su un sistema di scorrimento come un cuscino d’aria oppure un film idraulico, all'interno di uno spazio limitato. Pistoni idraulici, alimentati da pompe elettriche e accumulatori, mossi attivamente per contrastare le forze del vento e le risonanze naturali. Queste possono anche, se adeguatamente progettate, essere efficaci nel controllare il moto eccessivo - anche senza l'applicazione di potenza - durante un terremoto. 

La forma più comune di retrofit antisismico per gli edifici più bassi è l'aggiunta di rinforzi alla struttura esistente in modo da aggiungere ulteriore resistenza alle forze sismiche (da puntelli e archi in legno a vari tipi di strutture in acciaio). Il rafforzamento può essere limitato a connessioni tra elementi architettonici esistenti oppure può necessitare dell'aggiunta di elementi di resistenza primari come mura, archi, strutture portanti, particolarmente nei piani più bassi. 

Si parla di miglioramento sismico quando ci si riferisce a tutti quegli interventi atti ad aumentare la sicurezza strutturale esistente, pur senza necessariamente raggiungere i livelli richiesti dalla norma. Sono realizzabili in maniera più semplice rispetto a quegli interventi di adeguamento sismico. Prioritario per attuare il miglioramento sismico di una struttura esistente è l’utilizzo degli ancoranti sismici. La progettazione sismica dei collegamenti strutturali è fondamentale per poter prevedere il comportamento della struttura e ridurre gli effetti di un sisma. La scelta della categoria sismica dipende dalla zona geografica, dalla natura del terreno e dalla classe di importanza dell’edificio. L’Allegato E della già esistente Linea Guida Europea ETAG 001, mette a disposizione di tutti gli Stati membri della Comunità Europea, un riferimento ufficiale per la produzione di ancoranti da utilizzarsi nel calcestruzzo, per resistere alle azioni sismiche nel territorio europeo. In precedenza produttori e progettisti si riferivano ai documenti ICC-ES, elaborati in base alle norme presenti negli Stati Uniti d’America. Il Technical Report TR045 fornisce le informazioni necessarie per il dimensionamento dei fissaggi in zona sismica. Dal 2013 la valutazione degli ancoranti metallici sotto azioni sismiche avviene secondo l’ETAG 001, allegato E (valutazione di ancoranti metallici sotto azione sismica). 

Le classi di sismicità sono indicate nel Documento di Appendice Nazionale dell’EN 1998-1 mentre l’assegnazione delle categorie di prestazione sismica C1 e C2 ai livelli di sismicità e alle classi di importanza degli edifici è responsabilità di ogni Stato Membro. L’idoneità di un ancorante per azioni di tipo sismico viene valutata secondo due differenti categorie sismiche C1 e C2: 

- Categoria sismica C1: adatta solo per applicazioni non strutturali 

- Categoria sismica C2: adatta per applicazioni strutturali e/o non strutturali 

La progettazione di ancoranti post installati deve essere fatta in accordo al metodo di progettazione fornito nel Rapporto Tecnico TR045. Per calcolare la resistenza dell’elemento di ancoraggio è necessario conoscere la categoria sismica. Per trovare la corretta categoria è necessario fare riferimento alle classi di importanza (I, II, III o IV), all’accelerazione massima su suolo rigido (ag) e il fattore di suolo (s). Questi dati possono essere ricavati dalle mappe di rischio nazionali, ossia le mappe del suolo e le zone sismiche. 

Per capire che categoria di prestazione deve avere l’ancorante da utilizzare, bisogna mettere in relazione la sismicità dell’area geografica con la classe di importanza dell’edificio. In concreto, gli ancoranti destinati a connessioni tra elementi strutturali principali o membrature sismiche secondarie in caso di ag∙S> 0.05g devono sempre avere categoria sismica C2, mentre gli ancoranti per fissaggio di elementi non strutturali, se l’accelerazione ag∙S è compresa tra 0.05g e 0.10g, possono essere scelti anche con categoria sismica C1. Si noti che queste sono raccomandazioni generali che gli stati membri possono modificare a livello locale. Nel 2013 l’EOTA (EuropeanOrganisation for Technical Assessment) ha messo a disposizione importanti strumenti che indicano quali procedure seguire per la produzione e la verifica degli ancoranti da utilizzarsi in zona sismica. Sul mercato vi sono diverse tipologie di ancoranti, i più diffusi sono: gli ancoranti a controllo di espansione, gli ancoranti chimici, gli ancoranti a controllo di coppia, gli ancoranti incamiciati, gli ancoranti sottosquadro e le viti per calcestruzzo. Ancoranti generalmente idonei per resistere ad azioni sismiche sono quelli a cui può essere data una coppia di serraggio controllata e mantenuta e sono in grado di riespandere quando si verifica la fessurazione. Sono altresì idonei gli ancoranti che hanno un meccanismo basato sulla tenuta attraverso ingranamento nel materiale base (meccanismo di resistenza “per forma”) come nel caso di ancoranti sottosquadro. Inoltre, in alcuni anco-ranti chimici sono state riconosciute buone prestazioni per resistere alle azioni sismiche. Ancoranti ad espansione a controllo di spostamento dovrebbero essere evitati considerando che le loro prestazioni sotto azione sismica si sono dimostrate inadeguate. Le pubblicazioni dell’ETAG001 Annesso E e del TR045 colmano un importante gap di natura tecnica a livello europeo e aiutano i professionisti a seguire un approccio unico partendo dalla definizione dei carichi (Eurocodice 8 e/o normative nazionali), passando per la scelta di prodotti certificati (ETA con categoria C1/C2), fino all’applicazione del metodo di calcolo (TR045), il tutto nell’ottica di ridurre quei fattori di pericolosità all’interno di una struttura (ospedali, uffici, teatri, etc.) che durante un terremoto rappresentano spesso la reale causa di danni in termini economici e di vite umane. 

Gabriele Bernardini, Chiara David, Silvia Santarelli, Enrico Quagliarini, Marco D’Orazio (Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Architettura, Università Politecnica delle Marche) 

La sicurezza delle persone nei centri storici in caso sisma è influenzata da vulnerabilità del patrimonio, dal tessuto urbano complesso e compatto, dalle interazioni uomo-ambiente in emergenza. Il problema è amplificato quando le porzioni urbane ospitano eventi ad alto affollamento (fiere, festival): fenomeni di gruppo e congestione si uniscono a scarsa conoscenza di spazio e procedure di emergenza da parte delle persone. 

L’emergenza sisma rappresenta uno degli eventi maggiormente critici, per caratteristiche dello scenario: 

• estrinseche, ovvero di pericolosità, legate a posizione in zone ad elevata sismicità, amplificazioni locali, effetti a cascata (es.: frane, incendi post-sisma) 

• intrinseche, per vulnerabilità di edifici ed infrastrutture (inclusa la rete stradale), e complessità del layout urbano, caratterizzato da edifici multipiano affacciati su vie di larghezza 

• di esposizione, in termini di valore economico, culturale, sociale, storico-artistico del patrimonio, e di occupanti che vivono la fabbrica urbana storica secondo le modalità d’uso contemporaneo, percepiscono l’evento sismico e si muovono nello spazio in condizioni di emergenza 

La comprensione e la rappresentazione dei fenomeni di evacuazione diventano, quindi, aspetti essenziali per proporre soluzioni atte ad aiutare la folla nell’emergenza improntate alla guida dell’esodo pedonale attraverso percorsi e luoghi di raccolta sicuri, nel minor tempo possibile, ed evitando l’interferenza con elementi ambientali pericolosi e il sistema della mobilità dei soccorsi. Le attuali linee guida di valutazione e pianificazione nell’emergenza sisma nei centri storici adottano un approccio schematico. Esse riducono il problema dell’individuazione delle aree di raccolta e dei percorsi di collegamento alla stima dell’interferenza data dal rapporto geometrico tra altezza dell’edificato e larghezza dello spazio su cui esso si affaccia (strada o piazza), indicando come non utilizzabili in emergenza i percorsi con rapporto maggiore ad 1. 

Un approccio volto all’inclusione delle interazioni in evacuazione è presente invece nell’ingegneria antincendio, la Fire Safety Engineering, dove l’analisi dell’esodo tramite simulatori può consentire di valutare le criticità del processo. L’ottica della progettazione basata sul Behavioral Design, permette di proporre soluzioni di riduzione del rischio basate sull’effettiva risposta degli evacuanti e sull’interazione con essi (minimizzando l’impatto sul patrimonio e collocando l’intervento laddove necessario). Le attività di ricerca precedenti hanno portato alla definizione di un simulatore per l’evacuazione post-sisma in ambiente urbano (EPESEarthquake Pedestrians’ Evacuation Simulator). Definito grazie ad analisi sperimentali (quantitative che qualitative) di eventi reali, EPES prevede una rappresentazione microscopica delle interazioni uomo-ambiente, grazie alle tecniche Agent-Based (ABM) e al modello alle forze sociali (SFM), e include la rappresentazione delle possibili modifiche al costruito. Le simulazioni dimostrano come, in caso di evacuazione “spontanea”, le persone impieghino un tempo significativo a raggiungere le zone sicure per assenza di indicazioni chiare, rimanendo a lungo nell’area intermedia. 

Tali soluzioni sono state considerate nelle condizioni di evacuazione “assistita”, che rappresenta quindi il massimo guadagno raggiungibile in termini di sicurezza. Implementazioni parziali possono portare a gradi intermedi di miglioramento. I risultati comportamentali dell’evacuazione, sintetizzati da indici prestazionali (come flussi di evacuazione, punti di raccolta spontanea, rapporto con vulnerabilità dei percorsi), sono analizzati per delineare strumenti progettuali e linee guida per ridurre le interferenze tra costruito e movimento delle persone, quali adattamento del layout dei vuoti urbani, interventi sugli edifici critici, componenti di wayfinding, gestione e pianificazione di emergenza. Ispirata all’approccio ingegneristico alla sicurezza antincendio, la metodologia orientata al “Behavioural Design” (BD) intende assistere il progettista nella definizione di soluzioni atte ad incrementare la sicurezza delle persone in questo tipo di ambiti, organizzando spazio e facilities sulla base del reale comportamento umano. Ulteriori applicazioni a casi di studio significativi o a condizioni di layout urbano storico ricorrente (es.: piazze) potranno portare a linee guida condivise basate sul comportamento umano. In questa ottica, si potrà prevedere anche all’estensione del metodo ad altri tipi di calamità che possono verificarsi nei centri storici (es.: alluvione, attacco terroristico), e in diverse condizioni di affollamento.