Il modo in cui l'acciaio si piega invece di spezzarsi quando sottoposto a sollecitazione lo rende una scelta eccellente per le zone soggette a terremoti. Il calcestruzzo tende a creparsi e rompersi facilmente sotto pressione, ma le strutture in acciaio si flettono effettivamente distribuendo la forza lungo la loro struttura. Gli edifici realizzati in acciaio possono effettivamente muoversi lateralmente fino al 10-15 percento della loro altezza durante i sismi, prima che si verifichino danni gravi. Questa flessibilità salva vite umane perché impedisce al collasso improvviso di intere strutture quando il terreno inizia a tremare intorno a loro.
Le strutture in acciaio moderne utilizzano sistemi dissipatori di energia come smorzatori a snervamento e controventi con vincolo anti-incurvamento. Questi componenti agiscono come elementi sacrificali, assorbendo fino al 70% delle forze sismiche prima che raggiungano gli elementi portanti principali. Concentrando i danni in parti sostituibili, questi progetti garantiscono che la struttura complessiva rimanga intatta anche in caso di deformazione permanente.
Le strutture in acciaio ricevono una protezione aggiuntiva attraverso tecniche come telai controventati e sistemi di isolamento alla base, che sostanzialmente disconnettono l'edificio dai movimenti del terreno. Per quanto riguarda l'effettiva realizzazione, gli ingegneri installano spesso dispositivi chiamati cuscinetti elastomerici o isolatori a pendolo per attrito, che permettono agli edifici di muoversi in modo indipendente rispetto al terreno sottostante. Ciò può ridurre le forze orizzontali subite durante i terremoti di circa la metà fino ai tre quarti, secondo la maggior parte degli studi analizzati. Esistono anche approcci ibridi in cui si combinano diversi metodi, come telai eccentricamente controventati, capaci di trovare un equilibrio tra rigidità sufficiente per la stabilità e una certa flessibilità quando necessario. Questi sistemi contribuiscono a limitare i danni in caso di scosse particolarmente intense.
Il terremoto di Northridge del 1994 ha messo in evidenza la resistenza dell'acciaio: gli edifici con telai metallici a momento, adeguatamente rafforzati, si sono comportati molto meglio rispetto alle strutture in calcestruzzo. Allo stesso modo, la Torre Toranomon Hills di Tokyo, alta 346 metri, ha superato indenne il terremoto di Tohoku del 2011 grazie al suo sistema di travi diagonali in acciaio e agli smorzatori di massa accordati, nonostante spostamenti del suolo di 6,5 metri.
Uno studio del 2023 sulle prestazioni sismiche ha rilevato che le strutture in acciaio si riprendono tre volte più velocemente rispetto a quelle in calcestruzzo dopo forti terremoti. Sebbene il legno offra una certa flessibilità grazie al suo peso ridotto, esso non possiede la resistenza allo snervamento costante dell'acciaio (275–450 MPa), rendendo l'acciaio il 40% più efficace nel sopportare carichi assiali e laterali combinati negli edifici multipiano.
Il rapporto resistenza-peso dell'acciaio consente agli edifici di resistere a venti superiori a 150 miglia orarie, pressappoco l'intensità tipica degli uragani di categoria quattro, senza subire danni strutturali significativi. Ciò che rende speciale l'acciaio è la sua capacità di piegarsi sotto pressione anziché rompersi bruscamente. Questa deformazione elastica aiuta effettivamente ad assorbire parte della forza e impedisce il completo cedimento dei giunti. Analizzando i dati reali sulle prestazioni, secondo una ricerca pubblicata dall'Istituto per la Sicurezza contro il Vento nel 2022, i pannelli in acciaio si sono rivelati circa il 72 percento più resistenti alla penetrazione di detriti volanti rispetto ad altri materiali da costruzione comuni. Per chi vive in zone in cui le tempeste sono eventi ricorrenti, questa differenza in termini di protezione è fondamentale ai fini della sicurezza.
Dopo l'uragano Michael (2018), il 92% degli edifici con struttura in acciaio a Panama City, in Florida, è rimasto operativo nonostante venti di 160 miglia orarie e distruzioni diffuse. Nelle zone soggette a tornado come la contea di Moore, in Oklahoma, gli edifici in acciaio presentano un guasto del tetto del 40% inferiore rispetto alle strutture in legno, secondo la valutazione delle prestazioni edilizie del FEMA del 2021.
Un tetto in acciaio potrebbe pesare circa 2,1 libbre per piede quadrato rispetto alle pesanti 6,5 libbre del cemento, ma ciò che gli manca in peso lo compensa in resistenza contro le forze di sollevamento. L'acciaio riesce effettivamente a resistere fino a tre volte meglio in queste condizioni grazie alla sua capacità di trasferire i carichi e rimanere saldamente ancorato. Test hanno dimostrato che quando si utilizzano sistemi di fissaggio avanzati, le giunzioni hanno il 58 percento di probabilità in meno di separarsi durante le sollecitazioni del vento, secondo esperimenti in galleria del vento. Ciò significa che gli edifici rimangono stabili anche quando la natura scatena le sue peggiori condizioni.
Per massimizzare la resistenza al vento, i moderni edifici in acciaio incorporano elementi di progettazione aerodinamici:
In combinazione con un software di modellazione predittiva, queste caratteristiche consentono alle strutture in acciaio di superare i requisiti di carico del vento ASCE 7-22 del 1525% nelle regioni costiere.
L'acciaio non brucia e fonde a circa 1.300 gradi Celsius, una temperatura molto elevata. Ciò significa che non prenderà fuoco né rilascerà gas pericolosi in caso di incendio. Secondo alcune ricerche del NIST risalenti al 2022, gli edifici realizzati con strutture in acciaio resistono circa il 42 percento in più rispetto a quelli costruiti con telai in legno. Questo tempo aggiuntivo può fare la differenza durante un'evacuazione d'emergenza. Sebbene l'acciaio cominci a perdere resistenza quando le temperature raggiungono circa 530 gradi Celsius, le moderne normative edilizie prevedono sistemi per affrontare questo problema. Vengono infatti integrati sistemi di sicurezza e le strutture sono suddivise in sezioni distinte, in modo che anche se una parte dell'edificio subisce danni, le altre aree rimangano sufficientemente stabili da permettere alle persone di uscire in sicurezza.
Questi speciali rivestimenti intumescenti si gonfiano quando raggiungono alte temperature, creando questo strato protettivo di carbone che rallenta la velocità di riscaldamento dell'acciaio. Combinarli con materiali ignifughi a base di cemento e elementi strutturali come travi e colonne può effettivamente superare quei duri test antincendio ASTM E119 che durano da 2 a 4 ore prima che si verifichi qualsiasi piegatura. Alcuni recenti studi mostrano che l'acciaio che è stato adeguatamente rivestito mantiene circa il 90 per cento di ciò che può contenere a temperature intorno ai 800 gradi Celsius, mentre l'acciaio normale non protetto scende solo al 35 per cento della capacità nelle stesse condizioni secondo i risultati pubblicati nel Journal of Fire Protection Engineering l'anno
Quando il legno raggiunge circa 300 gradi Celsius o 572 Fahrenheit, inizia a bruciare e rilascia gas infiammabili che accelerano la propagazione degli incendi. Secondo i dati della National Fire Protection Association dell'anno scorso, questi gas sono responsabili di circa due terzi di tutti gli incendi edifici mortali. La sostituzione dei materiali fa una grande differenza in questo caso. L'acciaio non fornisce lo stesso tipo di fonte di combustibile del legno, il che significa che le fiamme non si propagano così facilmente all'interno delle strutture. I test dimostrano che l'acciaio rallenta significativamente la velocità di propagazione dell'incendio, riducendo i tassi di propagazione di circa l'83 percento secondo la ricerca della Fire Protection Research Foundation. Anche se gli strati di legno carbonizzato possono proteggere dai danni termici immediati per un certo periodo, l'acciaio si comporta in modo molto più prevedibile quando esposto ad alte temperature. Questa prevedibilità permette agli ingegneri strutturali di progettare sistemi di supporto migliori negli edifici. Di conseguenza, gli edifici alti realizzati con telai in acciaio presentano rischi notevolmente minori di collasso durante incendi intensi. Studi condotti dal comitato ACI Fire Resistance Committee indicano che tali progetti riducono le probabilità di crollo di quasi il 91 percento rispetto alle costruzioni tradizionali in legno.
La flessibilità dell'acciaio offre agli ingegneri la possibilità di adattare i progetti in base ai tipi di disastri che potrebbero colpire diverse regioni. Prendiamo ad esempio le zone soggette a inondazioni: i supporti in acciaio vengono posizionati più in alto rispetto ai livelli normali di piena. Gli edifici lungo le coste spesso incorporano leghe speciali resistenti alla ruggine causata dall'aria salmastra. Alcuni recenti studi sull'efficacia delle strutture durante i disastri hanno mostrato che quando le intelaiature in acciaio sono progettate specificamente per ciascuna località, è possibile ridurre i costi di riparazione di circa il 40 percento rispetto ai metodi costruttivi tradizionali. Questi approcci personalizzati non solo consentono un risparmio economico, ma aiutano anche a soddisfare le normative edilizie e a resistere meglio, nel tempo, agli eventi naturali che si verificano nella zona.
L'analisi agli elementi finiti (FEA) e varie tecniche di modellazione computazionale permettono agli ingegneri di visualizzare come gli edifici in acciaio reagiscono a sfide importanti come terremoti o venti di forza uragano intorno ai 150 mph. Questi modelli aiutano a individuare aree problematiche ben prima dell'inizio di qualsiasi costruzione reale. Una ricerca recente del 2024 ha rilevato che l'integrazione dell'intelligenza artificiale nel software di simulazione aumenta effettivamente l'accuratezza predittiva di circa il 28 percento rispetto agli approcci precedenti. Le applicazioni pratiche consentono agli ingegneri strutturali di regolare le dimensioni delle travi, modificare i dettagli dei collegamenti e riprogettare i sistemi di controventatura sulla base di quanto appreso. Il risultato? Edifici con prestazioni migliori in condizioni di stress specifiche per la loro ubicazione, sia in zone soggette a sismicità che in regioni costiere soggette a tempeste.
La flessibilità dell'acciaio permette diversi modi di gestire i carichi attraverso elementi strutturali differenti, come telai controventati, connessioni a momento e diaframmi. Questi elementi collaborano per assorbire e distribuire le forze quando si verifica un disastro. Ciò che rende l'acciaio particolarmente distintivo è la sua capacità di piegarsi leggermente prima di rompersi, offrendo agli ingegneri un margine aggiuntivo di sicurezza. Uno studio recente dell'anno scorso ha mostrato che dopo forti terremoti, gli edifici in acciaio hanno mantenuto circa l'89 percento della loro resistenza originaria, mentre le strutture in calcestruzzo hanno raggiunto solo il 67 percento circa. Gli ingegneri progettano questi sistemi di riserva seguendo specifiche norme progettuali, in modo che, se una parte subisce danni, altre intervengano automaticamente per mantenere l'edificio in piedi. Questo approccio aiuta a spiegare perché così tanti edifici moderni si basano sull'acciaio nonostante i costi iniziali più elevati.
Perché l'acciaio rappresenta una scelta efficace per le zone soggette a terremoti?
L'acciaio è molto efficace nelle aree soggette a terremoti grazie alla sua duttilità, che gli permette di flettersi e assorbire le forze sismiche, evitando crolli improvvisi.
Come si comportano le strutture in acciaio durante gli uragani?
Il rapporto resistenza-peso dell'acciaio aiuta gli edifici a resistere ai forti venti e all'impatto dei detriti, mantenendoli funzionali anche dopo tempeste violente.
L'acciaio è un materiale resistente al fuoco?
Sì, l'acciaio è intrinsecamente resistente al fuoco e non brucia, rendendolo una scelta più sicura rispetto a materiali come il legno.
È possibile personalizzare l'acciaio per specifici rischi regionali?
Le strutture in acciaio possono essere progettate su misura per affrontare minacce regionali specifiche, aumentando la resilienza contro disastri localizzati come inondazioni e ruggine nelle zone costiere.
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