1Nozioni di ingegneria sismologica
1.1Il rischio sismico: dalla singola struttura alla scala mondiale
I terremoti sono, tra gli eventi naturali, quelli che causano la maggior parte delle perdite in termini di vittime a livello mondiale, come mostrato in Fig. 1.1 (destra), relativa al ventennio 1998-2017. Per quanto riguarda le perdite in termini economici, le perdite conseguenza dei terremoti sono superate solo da quelle derivanti da tempeste (Fig. 1.1, sinistra). I terremoti provocano perdite prevalentemente attraverso gli effetti che producono sulle opere civili. Per questo la progettazione sismica Ăš, spesso, quella determinante nellâingegneria strutturale.
Figura 1.1Importanza relativa dei terremoti tra gli eventi naturali nel ventennio 1998-2017 per quanto riguarda le perdite economiche in miliardi di dollari americani (sinistra) e vittime (destra) [1].
In questa sezione si definiscono qualitativamente i concetti e la terminologia alla base dello studio del rischio a cui sono esposte le opere di ingegneria civile, a causa della loro dinamica, quando sollecitate da terremoti. Prima di fare ciĂČ Ăš perĂČ utile ricordare che, dal punto di vista quantitativo, il rischio sismico Ăš la probabilitĂ 1 di osservare, in un intervallo di tempo determinato, perdite (intese come una misura di conseguenze indesiderate) che eccedono un determinato valore per effetto dei terremoti sulla struttura e/o infrastruttura di interesse. Per esempio, una misura del rischio Ăš la probabilitĂ che, durante la vita di servizio di un certo edificio in un certo sito, i costi per i danni sismici superino i profitti attesi dovuti allâesercizio delle attivitĂ che nellâedificio hanno luogo. PiĂč in generale, si puĂČ considerare, quale metrica del rischio, una funzione che a qualunque valore della possibile perdita associ la probabilitĂ che essa sia superata in un dato intervallo di tempo.
Come si vedrĂ nel Cap. 3, Ăš conveniente, per valutare il rischio, scomporlo in tre termini di valutazione piĂč semplice, collegati gli uni agli altri, ma che possono essere studiati (quasi) separatamente e che richiedono competenze specifiche: la pericolositĂ , la vulnerabilitĂ e lâesposizione. Si puĂČ dire in termini qualitativi, cioĂš senza ulteriori specificazioni, che dunque il rischio Ăš funzione, f (·), di questi tre fattori:
La pericolositĂ sismica, qualitativamente, Ăš la propensione â piĂč o meno grande â del sito in cui si trova lâopera, a essere colpito da terremoti capaci di provocare le perdite. Come tale, la pericolositĂ sismica si considera un fattore esogeno (cioĂš non controllabile2 direttamente, se non attraverso la rilocalizzazione dellâopera civile in questione). In questa logica, un sito risulta piĂč pericoloso di un altro se, in esso, terremoti di una certa intensitĂ (la cui definizione non Ăš univoca e sarĂ approfondita nel seguito) sono osservati e/o previsti con frequenza maggiore rispetto allâaltro. La valutazione della pericolositĂ sismica compete allâingegneria sismologica che, a sua volta, utilizza nozioni e dati geologici e geofisici.
La vulnerabilitĂ , dâaltra parte, Ăš la propensione â piĂč o meno grande â dellâopera di interesse a subire danni per effetto di terremoti che occorrano al sito e che abbiano una data intensitĂ . Unâopera civile, quindi, risulta piĂč vulnerabile sismicamente di unâaltra se, a paritĂ di intensitĂ del terremoto al sito in cui si trova, i danni attesi su di essa sono maggiori che sullâaltra.[3] Ă chiaro che la valutazione e il controllo della vulnerabilitĂ , per esempio attraverso la progettazione sismica (cioĂš che tenga conto delle sollecitazioni sismiche), Ăš competenza dellâingegneria sismica che Ăš una delle declinazioni dellâingegneria strutturale.
Si noti che la vulnerabilitĂ non minaccia solo coloro i quali frequentano le strutture, ma spesso e nei paesi piĂč industrializzati soprattutto, le attivitĂ che in esse hanno sede. Infatti, i danni sismici possono essere spesso trascurabili dal punto di vista della struttura di per sĂ©, mentre essere talmente grandi per gli impianti, gli elementi non-strutturali (tramezzi, controsoffitti) e i contenuti (arredi, materiale industriale, materiale tecnologico ecc.), da rendere la struttura inservibile. A riprova di ciĂČ, in Fig. 1.2 sono schematicamente riportate le proporzioni delle perdite economiche dovute alla struttura (lâedificio vero e proprio), alle componenti non strutturali (impianti e accessori) e al contenuto (macchinari, computer, arredi, riserve di magazzino) in California. In paesi fortemente industrializzati, in realtĂ , sono spesso le perdite economiche dominanti rispetto alle vite umane.
Figura 1.2Suddivisione percentuale delle perdite in edifici a varia destinazione in California [2].
Infine, lâesposizione Ăš una misura delle conseguenze (perdite) della vulnerabilitĂ . A paritĂ di tutte le altre condizioni, due strutture, lâuna adibita a magazzino merci e una adibita a scuola, difficilmente saranno caratterizzate dalla stessa esposizione ai fini della valutazione del rischio sismico. Si intuisce quindi, che lâesposizione dipende dalla funzione che lâopera esplica e dai beni eventualmente in essa contenuti. La valorizzazione dellâesposizione compete a chi gestisce lâopera, sebbene la modellazione analitica per la valutazione del rischio richieda ancora esercizio di competenze di ingegneria sismica. Anche lâesposizione Ăš un fattore strettamente antropico e quindi, almeno in linea di principio, controllabile.
Sebbene lâoggetto di questo volume sia la singola opera strutturale e a questa sola si farĂ riferimento nel seguito, ai fini di questo capitolo Ăš opportuno ricordare che, per estensione, il rischio sismico si puĂČ riferire ad un insieme di opere, come un comparto urbano, una cittĂ o addirittura una nazione. In questo caso, il rischio fa riferimento alle perdite prodotte dai terremoti complessivamente su tutte le opere che fanno parte del sistema infrastrutturale di interesse e delle comunitĂ che se ne servono. A questa scala, proseguendo qualitativamente, Ăš comune ritenere che il rischio sismico di una paese quale lâItalia sia elevato, non giĂ per effetto della pericolositĂ sismica, generalmente moderata rispetto per esempio a Giappone e California, ma per lâelevata vulnerabilitĂ dellâambiente costruito, per lo piĂč formato da edilizia storica non progettata sismicamente oppure con criteri ormai obsoleti, e per lâelevata esposizione dovuta allâalta densitĂ abitativa e al valore dei beni e delle attivitĂ a rischio tipiche di un paese industrializzato, senza contare lâesposizione dovuta alla concentrazione e al valore (talmente grande da trascendere i confini nazionali) del patrimonio artistico e monumentale. Nei menzionati paesi, invece, il ciclo di vita delle costruzioni si ritiene spesso piĂč breve e lâelevata pericolositĂ Ăš in qualche modo bilanciata da una ridotta vulnerabilitĂ di strutture piĂč recenti e quindi progettate sismicamente secondo lo stato dellâarte; dâaltro canto, anche in tali paesi lâesposizione Ăš molto alta, soprattutto per il valore delle attivitĂ che i terremoti possono interrompere e/o danneggiare. Per avere una idea di questo ragionamento Ăš opportuno fare riferimento alla Tab. 1.1, dove si riportano i dati di perdite sismiche in due terremoti di paragonabile energia rilasciata alla sorgente misurata attraverso la magnitudo (si veda il Par. 1.5), ed entrambi occorsi in prossimitĂ di due grandi cittĂ , ma in due paesi dalle caratteristiche diverse. Si vede che nel caso di Haiti le perdite in termini di vittime sono state di due ordini di grandezza maggiori rispetto al caso giapponese, mentre lâopposto sembra essere avvenuto per le perdite economiche (per il calcolo delle quali, di solito, non si attribuisce un valore alla vita umana). A paritĂ di scenario di pericolositĂ , si potrebbe essere portati a pensare, quindi, che le enormi conseguenze ad Haiti in termini di vittime siano dovute alla grande vulnerabilitĂ del costruito, mentre quelle economiche in Giappone alla grande esposizione. Osservando il caso...