Il modo in cui l'acciaio si piega invece di rompersi lo rende particolarmente adatto alle zone soggette a frequenti terremoti. I materiali fragili semplicemente si fratturano sotto sollecitazione, mentre l'acciaio si allunga assorbendo l'energia delle scosse attraverso ciò che gli ingegneri definiscono plasticizzazione controllata. Le odierne progettazioni edilizie sfruttano questa proprietà utilizzando sistemi come telai resistenti ai momenti e controventi eccentrici, che contribuiscono a distribuire le forze quando il terreno si muove. Si pensi ai sistemi di isolamento alla base, posizionati tra l'edificio e le sue fondamenta. È stato dimostrato che questi sistemi riducono i movimenti laterali di circa tre quarti in zone soggette a sismi, come il Giappone e alcune parti della California, dove edifici sono sopravvissuti a forti scosse grazie a tali innovazioni.
Le strutture in acciaio duttile possono effettivamente assorbire e distribuire l'energia durante i terremoti, impedendo il collasso immediato. Il concetto di ridondanza prevede l'inserimento di percorsi di sostegno aggiuntivi in modo che l'intera struttura rimanga in piedi anche quando alcune parti si rompono. Secondo una ricerca pubblicata nel documento FEMA P-750, gli edifici costruiti con telai flessibili in acciaio hanno circa un terzo in meno di probabilità di crollare rispetto a quelli realizzati con calcestruzzo rigido. Questo tipo di rete di sicurezza diventa particolarmente importante nelle zone del Pacific Ring of Fire, dove gli edifici sono sottoposti a continue prove causate dalle scosse successive ai terremoti principali.
| Criteri | Strutture in acciaio | Strutture in calcestruzzo |
|---|---|---|
| Peso | 60% più leggero | Pesante, aumenta il carico sismico |
| Riparabilità | Danni localizzati; riparazioni semplici | Guasto catastrofico frequente |
| Di dissipare l'energia | Alto (tramite snervamento) | Basso (rottura fragile) |
La leggerezza dell'acciaio riduce le forze inerziali durante il sisma, mentre la rigidità del calcestruzzo spesso provoca danni costosi e irreparabili. Le valutazioni post-sismiche in Turchia (2023) hanno mostrato che gli edifici con struttura in acciaio hanno subito costi di riparazione del 40% inferiori rispetto ai corrispettivi in calcestruzzo.
La FEMA P-750 le linee guida confermano la superiorità dell'acciaio, dimostrando che telai duttili correttamente progettati riducono la probabilità di collasso da 1 su 50 a 1 su 167 per terremoti di grande entità. Ciò è in linea con normative internazionali come ASCE 7-22, che privilegiano le capacità di smorzamento isteretico dell'acciaio per le infrastrutture critiche nelle zone sismicamente attive.
Gli edifici moderni in acciaio antisismico spesso utilizzano ciò che viene definito progetto basato sulle prestazioni, o PBD per brevità. Questo approccio garantisce che le strutture possano effettivamente comportarsi come richiesto quando si verificano scosse sismiche, rispettando determinati standard di sicurezza e mantenendo le operazioni efficienti. I codici edilizi tradizionali indicano agli ingegneri cosa fare passo dopo passo, ma il PBD adotta un angolo diverso. Valuta quanto danno sia accettabile durante i terremoti pur consentendo all'edificio di funzionare correttamente. Si pensi a luoghi come gli ospedali, dove le persone hanno bisogno di cure anche dopo un terremoto, oppure ai centri dati che devono mantenere i server sempre attivi a ogni costo. Studi condotti da diverse società di ingegneria indicano che l'uso del PBD può ridurre i costi di riparazione di circa il 40 percento rispetto alle tecniche più datate. I risparmi derivano da scelte più intelligenti dei materiali che non compromettono la sicurezza, risultato notevole considerando l'importanza in gioco negli eventi sismici.
Il modo in cui gli edifici gestiscono le forze sismiche dipende fortemente dalla presenza di percorsi di carico continui che si estendono dal tetto fino alla fondazione. Gli edifici in acciaio soddisfano questo requisito principalmente attraverso telai resistenti ai momenti e muri di taglio posizionati in punti strategici lungo tutta la struttura, al fine di controllare le oscillazioni laterali. Negli edifici più alti in particolare, sta crescendo l'interesse verso approcci ibridi in cui telai con controventi tradizionali lavorano insieme a pareti in piastra d'acciaio. Queste combinazioni possono aumentare la rigidità strutturale tra il 25% e il 35%, un fattore determinante durante eventi sismici intensi. Una corretta progettazione esecutiva è però fondamentale, poiché anche piccoli errori nei collegamenti tra questi elementi possono comprometterne l'efficacia quando si verifica un vero evento sismico.
Una progettazione sismica efficace bilancia tre principi:
La duttilità intrinseca dell'acciaio consente una deformazione plastica controllata nei collegamenti, assorbendo l'energia sismica senza rotture improvvise. Un'analisi del 2023 su strutture retrofit ha rivelato che l'incorporazione di controventi con vincolo anti-inflizione migliora la dissipazione energetica del 50% rispetto ai progetti convenzionali.
Caratteristiche avanzate come parti di fusibili sostituibili rendono sicuramente gli edifici più resistenti ai terremoti, ma circa due terzi dei contraenti si oppongono ancora perché le considerano un costo aggiuntivo non necessario. Guardando il quadro generale, tuttavia, la ricerca sui costi del ciclo di vita rivela qualcosa di interessante riguardo all'investimento adeguato in dettagli antisismici per edifici in acciaio. I dati indicano che spendere una somma maggiore inizialmente può effettivamente far risparmiare fino a quattro volte tanto in seguito, quando non sarà necessaria una ricostruzione importante dopo un sisma. Questo rappresenta un argomento molto solido a favore dello sviluppo di metodi standardizzati per calcolare questi benefici, in modo che ingegneri e decisori responsabili dei budget possano finalmente essere d'accordo su ciò che conta davvero nei progetti edilizi.
Le strutture in acciaio si basano su giunti e connessioni progettate con precisione per mantenere l'integrità durante eventi sismici. I telai resistenti a momento con connessioni rigide tra travi e colonne distribuiscono uniformemente le forze, mentre i dettagli rinforzati nei punti di collegamento prevengono rotture localizzate. Giunti in acciaio adeguatamente progettati riducono i costi di riparazione post-sisma fino al 40% rispetto ai progetti convenzionali.
Le moderne connessioni bullonate incorporano ormai interfacce crittiche allo scorrimento e bulloni ad alta resistenza pre-tesi, consentendo movimenti controllati senza deformazioni permanenti. Le configurazioni ibride saldate-bullonate combinano rapidità di montaggio e durabilità sismica, raggiungendo tempi di costruzione più veloci del 25% pur soddisfacendo i requisiti di prestazione ASCE 7-22.
Un intervento di retrofit del 2022 sullo svincolo della I-395 in California ha sostituito i fragili collegamenti a perno e tirante con sistemi di travi a cassone in acciaio dotati di collegamenti duttili dissipatori di energia. Questo progetto da 85 milioni di dollari ha resistito a sette scosse di assestamento di magnitudo 4,0 o superiore nel 2023 senza alcun danno strutturale, dimostrando il rapporto costo-beneficio dei retrofit avanzati in acciaio nelle infrastrutture critiche.
Gli smorzatori a attrito Pall installati nei controventi a chevron assorbono fino al 35% dell'energia sismica negli edifici medi. Quando combinati con smorzatori viscoelastici nei muri centrali, questi sistemi riducono lo spostamento interpiano dal 50% al 70%, secondo dati ottenuti da test su tavole sismiche effettuati da importanti istituti di ricerca.
A differenza dei controventi convenzionali che cedono improvvisamente a compressione, i controventi dissipativi con vincolo al buckling (BRB) utilizzano anime in acciaio racchiuse in tubi pieni di calcestruzzo. Questa progettazione aumenta la capacità di dissipazione energetica del 300% mantenendo cicli isteretici stabili, come confermato dalle linee guida FEMA P-795.
La torre di 55 piani di Toranamon-Azabudai a Tokyo impiega smorzatori di massa sintonizzati da 1.200 tonnellate che operano in sinergia con smorzatori viscosi a parete. Questo approccio ibrido ha ottenuto una riduzione record del 60% delle vibrazioni causate da vento e sismi durante il tifone Nanmadol nel 2023.
Oltre il 78% dei grattacieli con struttura metallica costruiti dal 2020 in zone sismiche incorpora qualche forma di tecnologia di smorzamento, rispetto al 42% del 2010. Si prevede che il mercato globale degli smorzatori sismici raggiungerà i 4,2 miliardi di dollari entro il 2028, spinto da normative edilizie più rigorose nelle regioni soggette a terremoti.
Le leghe a memoria di forma al nichel-titanio note come NiTi SMAs stanno cambiando il modo in cui costruiamo strutture in acciaio antisismiche, poiché sono in grado di ripristinare la loro forma originaria dopo essere state deformate. Quando gli edifici oscillano durante i terremoti, questi materiali speciali assorbono parte dell'energia e poi tornano rapidamente alla posizione iniziale una volta che tutto si stabilizza, riducendo così i danni permanenti complessivi. Studi indicano che quando gli ingegneri integrano la tecnologia SMA nei giunti trave-colonna, tali connessioni possono sopportare circa il 12 percento di forza laterale in più rispetto ai giunti in acciaio tradizionali. Ciò che le rende particolarmente interessanti è la loro capacità di reagire ai cambiamenti di temperatura, consentendo a determinate parti degli edifici di ripararsi essenzialmente da sole dopo lievi danni. Questo aspetto affronta uno dei punti deboli maggiori nelle strutture situate vicino a linee di faglia attive.
Le strutture in acciaio progettate per l'autocentraggio incorporano tipicamente cavi post-tesi o travi con smorzamento a attrito, che aiutano gli edifici a tornare alla loro posizione originale dopo il sisma provocato dai terremoti. Questa tecnologia riduce significativamente lo spostamento residuo, fino all'80% in alcuni casi, evitando che gli edifici finiscano inclinati come spesso accade con i metodi costruttivi più datati. Si consideri l'esempio recente di Tokyo, dove lo scorso anno gli ingegneri hanno testato questo approccio su un edificio di 40 piani. Dopo il terremoto, la struttura si è mossa appena e risultava ancora utilizzabile per circa il 92% delle funzioni possedute prima dell'evento. Questo livello prestazionale è coerente con gli attuali standard edilizi, che mirano non solo a mantenere gli edifici in piedi, ma anche a consentire alle persone di rientrare rapidamente dopo un disastro, piuttosto che limitarsi ad evitare il collasso totale.
L'uso di parti sostituibili che assorbono energia durante i terremoti, come speciali controventi con vincolo anti-inflessione o estremità di travi sacrificali, permette di concentrare le riparazioni su aree specifiche dopo un sisma. Pensateli come il quadro elettrico di casa: questi elementi subiscono la maggior parte dei danni in modo da poter essere sostituiti in circa tre giorni, invece di dover aspettare settimane o anche mesi per interventi tradizionali. La maggior parte degli edifici moderni ha dal quarto alla terza parte dei propri sistemi di supporto laterale costituita da questi componenti sostituibili, mantenendo comunque l'integrità strutturale dell'intero edificio. Questo approccio fa risparmiare tempo e denaro quando si verifica un disastro, poiché gli ingegneri non devono demolire intere sezioni solo per riparare ciò che è stato danneggiato.
I sistemi in acciaio autoriparanti hanno un prezzo iniziale superiore del 18-22% rispetto alle opzioni tradizionali. Tuttavia, analizzando l'andamento nel tempo, gli studi mostrano che i costi di manutenzione si riducono di circa il 40% nell'arco di cinquanta anni. Alcuni osservano che questo costo aggiuntivo iniziale rallenta l'adozione in aree più povere, dove il fattore economico è cruciale fin dall'inizio. Dall'altro lato, le compagnie assicurative stanno cominciando a offrire sconti tra il 15 e il 20% per gli edifici dotati di questi materiali intelligenti, poiché riducono semplicemente i rischi in modo più efficace. Ultimamente si è discusso molto dell'aggiornamento dei codici edilizi per richiedere questa tecnologia nelle zone soggette a terremoti, anche se ciò comporta un costo maggiore inizialmente. Resta aperta la domanda se i benefici in termini di sicurezza superino le considerazioni finanziarie in queste località critiche.
Le attuali valutazioni del rischio sismico classificano le aree in diverse categorie di pericolosità sulla base delle previsioni di movimento del terreno e dei precedenti storici di terremoti. Quando si analizzano zone ad alto rischio, come la famosa faglia di San Andreas in California o la zona vulcanica attiva intorno all'Indonesia nota come Anello di Fuoco, la maggior parte degli ingegneri tende a preferire la costruzione in acciaio perché si flette meglio e assorbe più efficacemente gli urti. Una ricerca recente del 2024 ha mostrato un dato interessante: gli edifici con struttura in acciaio situati in quelle che vengono definite aree della Zona 4, dove i terremoti si verificano più frequentemente, hanno subito circa il quaranta percento di danni in meno rispetto a strutture simili in calcestruzzo quando sottoposti a simulazioni di terremoti di magnitudo 7. Tutti questi risultati influenzano fortemente la scelta dei materiali utilizzati nei progetti edilizi. Abbiamo effettivamente assistito a un aumento dell'uso dell'acciaio di circa il 18 percento ogni anno nelle grandi città come Tokyo e Los Angeles fin dall'inizio del decennio.
I terremoti del 2023 in Turchia e Siria (magnitudo 7,8) hanno evidenziato gravi difetti nelle costruzioni basate principalmente su calcestruzzo, con il 92% degli edifici crollati che utilizzavano telai in calcestruzzo non duttili. Al contrario, il terremoto del Tōhoku del 2011 in Giappone (magnitudo 9,1) ha dimostrato la resistenza dell'acciaio: solo lo 0,3% degli edifici alti con struttura in acciaio a Sendai ha richiesto la demolizione. Le principali lezioni apprese:
Le economie emergenti affrontano sfide uniche, dovendo bilanciare budget limitati con requisiti di sicurezza sismica. Un approccio economicamente efficace combina:
Una revisione del 2023 sui sistemi intelligenti di smorzamento evidenzia come nazioni in via di sviluppo come Cile e Nepal implementino oggi barre dissipative contro l'instabilità dell'acciaio semplificate a un costo del 60% inferiore rispetto ai sistemi tradizionali. Questa metodologia consente a città come Kathmandu di ristrutturare oltre 150 edifici critici all'anno mantenendo l'85% del budget originario di costruzione.
L'acciaio è preferito grazie alla sua duttilità e alla capacità di assorbire e dissipare energia durante eventi sismici, prevenendo il collasso e riducendo al minimo i danni.
Le strutture in acciaio sono il 60% più leggere, più facili da riparare e dissipano meglio l'energia rispetto al calcestruzzo, che spesso subisce danni irreparabili.
I collegamenti avanzati, come quelli bullonati e saldati, garantiscono l'integrità sotto stress, migliorando la durata durante e dopo i terremoti.
Materiali intelligenti come le leghe a memoria di forma offrono capacità autoriparanti, riducendo la manutenzione a lungo termine e migliorando l'integrità strutturale.
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