Il ruolo delle strutture in acciaio nella costruzione resistente ai disastri

Perché le strutture in acciaio eccellono nella resistenza ai disastri

Rapporto elevato tra resistenza e peso, che consente una risposta rapida e prevedibile sotto carichi estremi

Il rapporto resistenza-peso dell'acciaio gioca un ruolo fondamentale nella capacità degli edifici di resistere a eventi disastrosi. Le strutture in acciaio possono sopportare forze laterali intense, come quelle generate durante i terremoti, senza sovraccaricare eccessivamente le fondazioni. Quando il terreno trema, l’uso di materiali più leggeri comporta il trasferimento di una forza minore attraverso l’edificio, pur mantenendo intatta la coesione complessiva della struttura. Cosa rende l’acciaio così efficace in questo contesto? Le sue molecole sono disposte in modo piuttosto uniforme e omogeneo, consentendo agli ingegneri di prevedere con precisione il suo comportamento sotto sollecitazione. Questa affidabilità contribuisce a garantire prestazioni ottimali delle strutture sia in presenza di scosse sismiche, sia di venti intensi o di altri fattori di rischio che minacciano la sicurezza e la stabilità dei progetti edilizi in tutto il mondo.

Duttilità e dissipazione di energia: come l'acciaio si deforma in modo sicuro durante eventi sismici

La duttilità dell'acciaio significa che può deformarsi in modo controllato durante i terremoti senza rompersi improvvisamente, conferendogli un importante vantaggio in termini di sicurezza rispetto ai materiali da costruzione fragili. Quando sottoposte a scuotimento, le strutture in acciaio subiscono ciò che gli ingegneri definiscono cicli isteretici: si flettono e quindi ritornano alla forma originaria più volte, trasformando l’energia pericolosa del terremoto in calore innocuo anziché lasciarla danneggiare l’edificio. Studi basati sui danni effettivamente riscontrati in seguito a terremoti mostrano che gli edifici realizzati in acciaio richiedono tipicamente circa il 60 percento in meno di interventi di riparazione rispetto a quelli costruiti in calcestruzzo, secondo ricerche pubblicate su riviste specializzate in ingegneria sismica. Poiché l’acciaio è in grado di sopportare questo tipo di flessioni ripetute senza collassare, molti architetti e ingegneri lo preferiscono nella progettazione di edifici situati in zone soggette a terremoti frequenti o particolarmente intensi.

Prestazioni delle strutture in acciaio nella progettazione antisismica

Sistemi a telaio resistente a momento rispetto a sistemi a telaio controventato in scenari combinati di carico sismico

Gli edifici in acciaio contribuiscono a ridurre i danni provocati dai terremoti principalmente attraverso due tipi di sistemi in grado di resistere alle forze laterali: telai resistenti a momento (MRFs) e telai controventati concentricamente (CBFs). Nei telai resistenti a momento, le travi sono collegate saldamente alle colonne in modo da poter flettersi in maniera controllata durante il sisma. Questi sistemi si prestano bene a edifici di media altezza, dove gli architetti richiedono flessibilità negli spazi, poiché prevedono un numero minore di supporti visibili. I telai controventati concentricamente adottano un approccio diverso, aggiungendo barre diagonali in acciaio all’interno del telaio. Ciò li rende estremamente rigidi nei confronti dei movimenti laterali, motivo per cui molti edifici situati in zone soggette a forti terremoti preferiscono questo metodo. Alcuni ingegneri combinano entrambi i sistemi per ottenere una protezione aggiuntiva durante movimenti complessi del terreno provenienti da più direzioni. La ridondanza aggiuntiva offre agli proprietari degli edifici maggiore tranquillità, sapendo che le loro strutture sono in grado di sopportare sollecitazioni impreviste meglio rispetto a quelle progettate con un singolo sistema.

I telai resistente a momento (MRF) offrono una duttilità maggiore del 25%, ma richiedono dettagli costruttivi rigorosi conformemente alla norma AISC 341-22. I telai controventati concentrici (CBF) riducono lo spostamento interpiano fino al 40%, sebbene il posizionamento dei controventi possa limitare la pianificazione dei piani (FEMA P-2098, 2023).

Innovazioni: connessioni auto-centranti e dissipatori d’energia in acciaio per ridurre lo spostamento residuo

Ridurre la deriva residua è estremamente importante quando gli edifici devono essere nuovamente occupati dopo che si sono verificati disastri. I collegamenti in acciaio progettati per auto-centrarsi si rivelano particolarmente efficaci in questo contesto. Questi sistemi utilizzano o tiranti post-tesi oppure speciali leghe a memoria di forma per riportare le strutture in posizione corretta una volta che hanno subito deformazione plastica sotto carico. Secondo una ricerca pubblicata lo scorso anno sul «Journal of Structural Engineering» dell’ASCE, i test dimostrano che tali metodi possono ridurre il dislocamento residuo del 60–80% circa. Accanto a queste innovazioni, anche diversi tipi di dissipatori in acciaio contribuiscono significativamente. Le controventature a vincolo di instabilità (BRB) e altri dispositivi dissipativi a taglio assorbono l’energia sismica durante i terremoti, preservando al contempo l’integrità strutturale. Si consideri, ad esempio, il recente intervento di adeguamento strutturale realizzato a Osaka: qui gli ingegneri hanno installato BRB che hanno mantenuto il movimento dell’edificio entro limiti di sicurezza durante le simulazioni di prova. I risultati? La deriva massima è rimasta pari soltanto all’1,8% e lo spostamento residuo si è ridotto a soli 0,2%. Prestazioni di questo livello fanno una grande differenza per le comunità che cercano di riprendersi dai disastri senza compromettere il proprio bilancio.

Resilienza delle strutture in acciaio contro eventi di vento intenso e tifoni

Comportamento dinamico di edifici slanciati in acciaio sotto l’azione di venti ciclonici: evidenze provenienti da studi di caso in Giappone e sulla costa del Golfo degli Stati Uniti

Gli edifici in acciaio tendono a resistere meglio ai cicloni perché possono flettersi dinamicamente assorbendo l’energia in modo prevedibile. Quando sono sottoposti a venti particolarmente intensi, queste strutture slanciate oscillano effettivamente in modo controllato anziché cedere improvvisamente. Essi trasformano tutta la forza esercitata dal vento in vibrazioni che l’edificio è in grado di gestire in sicurezza. Evidenze provenienti dalle zone giapponesi colpite dai tifoni e dalla costa del Golfo statunitense confermano ampiamente questo comportamento. Gli ingegneri di queste aree hanno osservato ripetutamente che, se realizzati correttamente, i telai in acciaio rimangono integri anche quando i venti superano i 150 miglia orarie, ovvero circa la soglia di un uragano di categoria 4. Esistono diversi motivi per cui l’acciaio resiste così bene a tali sollecitazioni, a cominciare da...

• Flessibilità dei materiali , resa possibile dall'elevato rapporto resistenza-peso dell'acciaio, consente movimenti laterali sicuri senza perdita di stabilità
• Dissipazione energetica a livello di struttura , in cui i collegamenti e gli elementi strutturali trasformano le forze del vento in oscillazioni smorzate
• Adattabilità aerodinamica , con profili snelli e rivestimenti ottimizzati che riducono la resistenza al vento e prevengono il collasso progressivo

Decenni di evidenze sul campo dimostrano tassi di sopravvivenza superiori al 90% per gli edifici in acciaio conformi alle norme nelle zone cicloniche, confermando l'acciaio come riferimento per le infrastrutture resilienti al vento.

Affrontare la vulnerabilità al fuoco nei sistemi strutturali in acciaio

Sebbene l'acciaio eccella nella resilienza sismica e al vento, le sue proprietà meccaniche si degradano oltre i 550 °C (1022 °F), dove può perdere fino alla metà della propria capacità portante. La progettazione moderna resiliente al fuoco attenua questo rischio mediante strategie passive e attive integrate:

• Protezione passiva contro il fuoco (PFP) , come i rivestimenti intumescenti, che si espandono formando strati isolanti di carbone quando riscaldati, rallentando così l'innalzamento della temperatura negli elementi strutturali
• Sistemi attivi , inclusi allarmi antincendio a rilevamento precoce e impianti di spegnimento a sprinkler, limitano la propagazione delle fiamme nelle fasi iniziali
• Compartimentazione , mediante pareti, pavimenti e barriere per intercapedini con resistenza al fuoco, contiene gli incendi e preserva la continuità strutturale

Nel complesso, queste misure prolungano il tempo fino al guasto critico: travi d'acciaio protette resistono abitualmente all'esposizione standard al fuoco per 60–120 minuti, rispetto ai 15 minuti di sezioni non protette. Sebbene nessun materiale strutturale sia incombustibile, la compatibilità dell'acciaio con soluzioni ingegneristiche antincendio robuste e conformi alle normative trasforma una vulnerabilità termica in un rischio gestito in modo affidabile.

Domande Frequenti

Perché l'acciaio è preferito nella progettazione di edifici antisismici?

L'acciaio è preferito grazie alla sua elevata duttilità e capacità di dissipare energia, che gli consentono di deformarsi in sicurezza durante i terremoti senza crollare. Questa proprietà, unita alla sua risposta prevedibile sotto carico, rende le strutture in acciaio resilienti in condizioni sismiche.

In che modo l'acciaio contribuisce alla resilienza al vento e agli uragani?

Le strutture in acciaio possono flettersi dinamicamente, trasformando le forze del vento in vibrazioni controllabili, consentendo loro di rimanere integre durante eventi caratterizzati da venti intensi, come tifoni e uragani. La loro adattabilità aerodinamica e flessibilità contribuiscono a una resistenza al vento minima e ne prevengono il crollo.

Quali misure vengono adottate per proteggere le strutture in acciaio dagli incendi?

Per proteggere le strutture in acciaio dagli incendi, gli architetti applicano sistemi passivi di protezione antincendio, come rivestimenti intumescenti, e implementano sistemi attivi, quali rilevatori di fumo ed impianti sprinkler. La compartimentazione contribuisce ulteriormente a contenere gli incendi, garantendo che le strutture in acciaio rimangano integre per un periodo più lungo durante l’esposizione al fuoco.