Il ruolo delle strutture in acciaio nella progettazione antisismica

Perché le strutture in acciaio sono intrinsecamente sismoresistenti

Rapporto elevato tra resistenza e peso e duttilità: i principali vantaggi del materiale costituente le strutture in acciaio

L'acciaio presenta un rapporto resistenza-peso molto migliore rispetto ai sistemi in calcestruzzo o muratura, essendo circa il 30% più leggero secondo studi recenti. Il National Earthquake Hazards Reduction Program (NEHRP) conferma tale dato nel proprio rapporto del 2023. Poiché l'acciaio è estremamente leggero ma al contempo resistente, gli edifici realizzati con questo materiale possono essere flessibili pur mantenendo la capacità di sopportare carichi elevati. Ciò che rende davvero eccezionale l'acciaio è tuttavia il suo comportamento sotto sollecitazione: a differenza dei materiali fragili, che si rompono improvvisamente, l'acciaio si deforma e si allunga notevolmente prima di cedere. Ciò significa che, durante un terremoto, le strutture intelaiate in acciaio possono effettivamente muoversi insieme alle oscillazioni invece di fratturarsi. Questo fenomeno è stato osservato dopo i terremoti di Ridgecrest del 2019, dove gli edifici con struttura intelaiata in acciaio hanno registrato circa il 40% in meno di crolli rispetto a edifici simili costruiti in calcestruzzo, come riportato nei rapporti dell'USGS successivi al disastro.

Prestazioni sotto carico ciclico: indurimento per deformazione e comportamento isteretico stabile nelle strutture in acciaio

L'acciaio presenta un comportamento straordinariamente coerente quando sottoposto a forze sismiche ripetute, il che è particolarmente importante durante le scosse di assestamento e i prolungati periodi di scuotimento. Ciò che rende speciale l'acciaio è il suo aumento di resistenza man mano che inizia a piegarsi e allungarsi. Dopo i primi segni di cedimento, il materiale diventa effettivamente più resistente a ulteriori danni proseguendo nella deformazione. Quando gli edifici oscillano avanti e indietro durante i terremoti, l'acciaio genera questi affidabili schemi di dissipazione dell'energia, noti come cicli isteretici, che operano in modo prevedibile attraverso numerosi cicli di movimento. Studi condotti da esperti in ingegneria sismica dimostrano che, se le strutture in acciaio vengono realizzate correttamente, possono sopportare oltre 50 cicli intensi di scuotimento perdendo meno del 5% della loro resistenza originaria. Questa affidabilità deriva dalla struttura interna uniforme dell'acciaio. A differenza di materiali costituiti da componenti diversi o con proprietà non omogenee, l'acciaio non presenta punti deboli in cui lo sforzo si concentra improvvisamente causando un collasso imprevisto.

Principali sistemi strutturali in acciaio per la resistenza ai terremoti

Telai Resistenti ai Momenti (MRF): Logica di Progettazione e Adattamento alle Zone Sismiche per Strutture in Acciaio

Le strutture a telaio resistenti ai momenti, o MRF (Moment Resisting Frames) per brevità, funzionano resistendo alle forze sismiche orizzontali grazie a speciali connessioni trave-colonna. Queste connessioni sono progettate per deformarsi e flettersi in un ordine specifico durante gli eventi sismici, consentendo così di assorbire tutta quell’energia violenta senza che l’intero edificio vada distrutto. L’acciaio è particolarmente adatto a questo scopo, poiché può allungarsi e flettersi in sicurezza anziché rompersi improvvisamente. Quando si analizzano zone ad alta sismicità, come la California, gli ingegneri apportano alcune modifiche a tali strutture: prestano particolare attenzione ai dettagli dei giunti, prevedono un maggiore supporto di riserva in tutta la struttura e bilanciano con cura la rigidezza richiesta nelle diverse parti. Il risultato? Gli edifici dotati di adeguati MRF in acciaio possono sopportare movimenti del terreno corrispondenti a livelli di accelerazione pari a circa 0,4g. Studi dimostrano che queste strutture subiscono oltre la metà in meno di danni rispetto agli edifici in calcestruzzo tradizionali durante i terremoti. Ciò rende gli MRF in acciaio non solo più sicuri, ma anche più economici nel lungo periodo per la costruzione di edifici di media e alta altezza nelle vicinanze di faglie attive, dove i terremoti si verificano regolarmente.

Controventi a deformazione controllata (BRB) e telai controventati eccentricamente (EBF): soluzioni strutturali in acciaio dissipative di energia

I controventi a vincolo di instabilità (BRB) insieme ai telai controventati eccentricamente (EBF) sono stati sviluppati specificamente per concentrare e dissipare l’energia sismica in punti dove i danni sarebbero minimi. I BRB funzionano racchiudendo un’anima d’acciaio all’interno di guaine in calcestruzzo o acciaio, che non si deformano facilmente. Questa configurazione impedisce il fenomeno dell’instabilità locale (buckling) dell’anima d’acciaio e consente un assorbimento equilibrato dell’energia sia sotto forze di trazione che di compressione. Negli EBF, gli ingegneri posizionano intenzionalmente i collegamenti dei controventi in modo eccentrico, così da indirizzare l’energia verso brevi tratti denominati "link a taglio". Questi link sono progettati per deformarsi in modo permanente quando necessario, assorbendo energia mentre mantengono intatto il telaio strutturale principale. Gli edifici in acciaio dotati di questi sistemi riescono effettivamente a sopportare oltre il 70% dell’energia vibratoria generata durante un terremoto, contribuendo a limitare eccessivi spostamenti relativi tra i piani e riducendo gli spostamenti residui dopo il passaggio del sisma. Ciò che distingue queste soluzioni è la facilità con cui possono essere riparate o sostituite. Per questo motivo, molti edifici strategici — come ospedali e scuole — li adottano: riprendere le attività normali subito dopo un terremoto è infatti una necessità imprescindibile.

Innovazioni che Riducono i Danni e Accelerano il Recupero nelle Strutture in Acciaio

Sistemi di Strutture in Acciaio Auto-centranti con Dispositivi a Attrito e Leghe a Memoria di Forma

I sistemi autorecentranti integrano smorzatori a frizione insieme a quelle speciali leghe a memoria di forma che chiamiamo SMA per affrontare ciò che è probabilmente il problema più grave dopo un terremoto: lo spostamento residuo. Questi piccoli dispositivi a frizione funzionano piuttosto bene perché dissipano energia in modo controllato quando iniziano a scivolare oltre determinati punti preimpostati. Ciò contribuisce a ridurre il carico sulle principali componenti strutturali degli edifici. Poi ci sono gli SMA, spesso impiegati in tiranti autorecentranti o nei collegamenti tra diverse parti della struttura. Ciò che li distingue è una straordinaria proprietà chiamata superelasticità, che consente loro di ritornare quasi completamente alla forma originale anche dopo essere stati notevolmente allungati o piegati. In combinazione, queste soluzioni tecnologiche possono ridurre lo spostamento residuo di circa l’80% e abbattere i costi di riparazione di circa il 40%, secondo una ricerca dell’Earthquake Engineering Institute del 2023. Per strutture come ospedali e centri di emergenza, dove ogni minuto conta, ciò significa poter riprendere le operazioni molto più rapidamente, senza dover sostenere costi esorbitanti per il riallineamento di tutta la struttura o per ricostruirla ex novo. I servizi essenziali continuano semplicemente a funzionare, invece di subire un arresto improvviso.

Lezioni dalla pratica: Christchurch 2011 — Validazione nel mondo reale della resilienza delle strutture in acciaio

Quando nel 2011 si verificò il terremoto di Christchurch, questo dimostrò sostanzialmente ciò che gli ingegneri affermavano da tempo sulla resistenza dell’acciaio durante eventi sismici, in particolare quando combinato con quei nuovi sistemi dissipativi di energia. Gli edifici con struttura in acciaio dotati di speciali controventi a vincolo di instabilità subirono circa il 30 percento in meno di danni rispetto a strutture simili in calcestruzzo. Ciò che tuttavia colpì maggiormente fu la facilità con cui la maggior parte dei danni risultò riparabile. Nessuno degli edifici in acciaio dotati di sistemi MRF o BRB crollò effettivamente e circa i tre quarti furono nuovamente operativi entro sei mesi, molti addirittura in tempi ancora più brevi. Analizzando quanto accaduto dopo il terremoto, gli esperti indicarono la duttilità dell’acciaio come principale ragione del buon comportamento di tali edifici, a differenza del calcestruzzo, che tende a creparsi improvvisamente sotto sollecitazione se non progettato adeguatamente. L’esperienza maturata a Christchurch portò a importanti modifiche alle norme edilizie neozelandesi in materia sismica e continua tuttora a influenzare l’approccio adottato da numerosi Paesi nel mondo in tema di sicurezza sismica. In sostanza, quando gli architetti dedicano il giusto tempo alla progettazione dettagliata delle strutture in acciaio e le abbinano a sistemi prestazionali intelligenti, ottengono edifici in grado di proteggere vite umane e di rimanere funzionali anche dopo il verificarsi di disastri.

Sezione FAQ

Cosa rende le strutture in acciaio più resistenti durante i terremoti? Le strutture in acciaio presentano un elevato rapporto resistenza-peso e duttilità, che consente loro di flettersi e assorbire energia durante eventi sismici senza crollare.

In che modo i telai resistenti a momento (MRFs) contribuiscono alla resistenza ai terremoti? Gli MRFs utilizzano collegamenti specializzati tra travi e pilastri in grado di assorbire l’energia sismica violenta deformandosi in modo controllato mediante flessione, prevenendo il collasso strutturale.

Qual è il ruolo dei controventi a instabilità impedita (BRBs) e dei telai controventati eccentricamente (EBFs) nella progettazione antisismica? I BRBs e gli EBFs sono progettati per dissipare l’energia sismica in punti specifici, riducendo al minimo i danni e consentendo alle strutture di sopportare scosse significative senza subire guasti catastrofici.