10-2010 | Attualità
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A colloquio con la professoressa Teresa Crespellani

Il comportamento sismico dei suoli

dott. ing. Franco Ligonzo

Nel 2009, nei commenti sugli effetti del terremoto dell’Aquila, abbiamo sentito e letto più volte di edifici, o gruppi di edifici, vicini fra loro che avevano subito danni completamente diversi attribuiti, genericamente, al comportamento del suolo. Oggi, torniamo sull’argomento intervistando Teresa Crespellani, che per molti anni è stata docente di Ingegneria Geotecnica Sismica presso il Dipartimento di Ingegneria Civile dell’Università di Firenze e curatrice del libro “Terremoto e ricerca”. Gentile Professore, scorrendo l’indice del Suo libro, abbiamo sottolineato alcuni termini che ci sembrano essenziali per capire la risposta sismica dei suoli e per individuare le possibili azioni preventive; può gentilmente chiarirci le idee?

Cosa significa “comportamento sismico del suolo” ?

I terreni, come gli esseri umani, hanno una loro individualità. Ogni terreno ha una sua risposta alle azioni che gli vengono trasmesse. Tuttavia, come gli studi psicologici aiutano a raggruppare le differenti tipologie umane in gruppi più o meno omogenei, anche gli studi geotecnici si preoccupano di identificare similarità e divergenze. Ad esempio, i terreni coesivi hanno comportamenti diversi da quelli granulari, i terreni normalmente consolidati hanno risposte diverse da quelli normalconsolidati, i terreni asciutti da quelli parzialmente o totalmente saturi, i terreni densi da quelli sciolti. Ma vi sono anche analogie e comportamenti ricorrenti. La metafora aiuta anche a capire che la risposta è diversa di fronte ad una carezza o uno schiaffo. Se, infatti, come accade durante i terremoti forti, le azioni sono trasmesse al terreno violentemente, sono, cioè ‘dinamiche’, i terreni hanno comportamenti diversi da quelli esibiti in condizioni statiche; inoltre, alcuni rispondono prontamente, altri differiscono la risposta nel tempo, taluni attenuano l’impatto, altri lo esaltano.

Essendo poi le azioni sismiche anche azioni ‘cicliche’ (si alternano cioè nel terreno fasi di carico, scarico e ricarico) la risposta è particolarmente complessa, perché possono prodursi fenomeni di fatica e di degradazione delle caratteristiche del terreno, che comportano perdite di resistenza e deformazioni irreversibili. Oltre certe soglie deformative, il terreno può arrivare al collasso, trascinando con sé anche le strutture più sismicamente attrezzate. Un tipico esempio è la perdita di resistenza per liquefazione. E’ ormai pienamente dimostrato che durante un terremoto alcuni terreni superficiali possono amplificare l’azione sismica (espressa generalmente in termini di accelerazione massima al suolo), anche di 10-12 volte rispetto all’azione sismica che si avrebbe in un ammasso roccioso pianeggiante. Ed è anche ben documentato il fatto che ogni terreno ha risposte diverse a terremoti diversi.

Cosa significa “caratterizzazione dinamica dei terreni” ?

In senso stretto significa studiare attentamente il comportamento del terreno in presenza di azioni dinamiche e cicliche equipollenti a quelle trasmesse da un prefissato terremoto, riproducendo in laboratorio le condizioni di sforzo, deformazione e drenaggio che il terreno ha in sito durante il terremoto e misurando durante le prove i valori via via assunti dai parametri rappresentativi del comportamento dinamico e ciclico del terreno e cioè: rigidezza, rapporto di smorzamento, pressione interstiziale, resistenza. In senso più ampio e con riferimento ai terreni in sito, significa rilevare e valutare l’influenza di tutti quegli elementi che possono essere interessanti per la identificazione del suo comportamento sismico: morfologia, stratigrafia, livelli idrici, proprietà geotecniche, parametri dinamici. La caratterizzazione dinamica dei terreni in laboratorio è un’operazione difficile, delicata e costosa.

In condizioni sismiche, infatti, il comportamento del terreno è estremamente complesso perché si sommano gli effetti della velocità di applicazione dei carichi e gli effetti della ciclicità. Soprattutto durante i terremoti forti, col proseguire dell’azione sismica e col crescere delle deformazioni indotte, il terreno può attraversare diversi domini comportamentali (dominio “elastico”, dominio “isteretico stabile”, dominio “isteretico instabile”) separati da due soglie deformative (la soglia “lineare” e la “soglia volumetrica”). La simulazione in laboratorio delle condizioni sismiche richiede apparecchiature molto complesse e costose e personale specializzato.

Cosa significa “rischio di liquefazione” ?

Credo sia meglio parlare di ‘pericolo di liquefazione’, perché il termine ‘rischio’ nel linguaggio sismico significa mettere anche in conto la vulnerabilità dei manufatti. La presenza di manufatti può modificare le manifestazioni della liquefazione, ma generalmente si prescinde da tale effetto, e si parla in genere di ‘pericolo di liquefazione’ intendendo con questa accezione riferirsi ai soli fattori naturali che intervengono nel fenomeno. La liquefazione dei terreni, cioè la perdita di resistenza per effetto dell’incremento e dell’accumulo delle pressioni interstiziali indotte dalle azioni sismiche nei terreni sabbiosi saturi poco addensati, è uno dei fenomeni più interessanti e studiati sotto il profilo sismico e geotecnico. Il termine ‘liquefazione’ comprende diverse manifestazioni di questa perdita di resistenza, che può comportare effetti spettacolari (movimenti di grandi masse di terreno, formazione di laghi, arretramenti delle linee di costa, ecc.) ma anche effetti meno appariscenti (cedimenti, fessure nel terreno, espansioni laterali, ecc.) che, tuttavia, possono essere causa di elevati danni e collassi nelle sovrastanti strutture e nei sistemi geotecnici. Il ‘pericolo’ di liquefazione si lega a due fattori: la sismicità (fattore scatenante) e la predisposizione del terreno ad essere sede di fenomeni di liquefazione (fattore predisponente).

Perché la liquefazione si verifichi deve esserci la coesistenza dei due fattori: sismicità elevata e terreno suscettibile. Le situazioni in cui il fenomeno si può escludere sono ben definite. Inoltre, è oggi possibile impedire il verificarsi del fenomeno con opportune modalità di intervento sul terreno o sulle strutture. In alcune paesi a sismicità molto elevata (Giappone, California,Indonesia, Turchia, ecc.) la liquefazione è certamente una delle maggiori cause di vittime e di danni al patrimonio abitativo. In Italia, dove la sismicità è di medio livello, il pericolo di liquefazione è assai più limitato. I casi storici di fenomeni di liquefazione sono concentrati soprattutto in Calabria ma non mancano esempi in altre regioni.

Cosa sono le carte di microzonazione sismica?

Gli studi di microzonazione sismica hanno come obiettivo quello di definire le diverse risposte dei terreni presenti in un dato territorio ad un prefissato terremoto, in relazione alle loro caratteristiche morfologiche, stratigrafiche, geotecniche. Le carte di microzonazione sono il risultato sintetico di tali studi. In tali carte vengono perimetrate due tipi fondamentali di aree: le ‘aree critiche’ (dove possono avvenire scorrimenti di faglia, movimenti franosi, fenomeni di liquefazione e subsidenza, ecc.) e le aree ‘stabili’, dove possono verificarsi fenomeni di amplificazione della risposta sismica rispetto alla risposta che si ha su terreno roccioso pianeggiante. Sono carte che possono essere stese solo a scala ‘locale’ (di centro abitato, comune, al più provincia), perché richiedono costose indagini sismiche, geologiche e geotecniche e studi molto complessi. Le loro ricadute a scala nazionale devono passare attraverso le Regioni, per legge responsabili della classificazione sismica secondo i criteri indicati dallo Stato. È facile comprendere l’importanza degli studi di microzonazione sismica nella pianificazione urbanistica e nella gestione delle risorse per la prevenzione. Alla data odierna, i centri urbani dotati di carte di microzonazione sismica sono purtroppo davvero pochi.

Per lo più gli studi di microzonazione vengono condotti dopo un terremoto distruttivo, ma non mancano esempi virtuosi di studi condotti ‘a freddo’ cioè in periodo di silenzio sismico. Si possono citare diversi casi in Emilia-Romagna (dove sono stati emanati con legge regionale degli ‘indirizzi’ per la redazione di carte di microzonazione), nelle Marche, nell’Umbria. In genere gli studi di microzonazione vengono condotti subito a ridosso del terremoto in vista della ricostruzione. In Umbria subito dopo il terremoto sono stati condotti studi di microzonazione speditiva, che si sono conclusi in tre mesi, in circa un’ottantina di centri abitati per adeguare i piani di ricostruzione alla pericolosità locale. E’ stata una scelta ampiamente condivisa dalla popolazione che, vivendo di turismo, ha ritenuto che la ricostruzione dovesse essere preceduta da studi che garantissero la sicurezza e la qualità degli interventi A L’Aquila non solo non c’erano studi di microzonazione precedenti al terremoto del 6 aprile 2009, ma curiosamente gli studi di microzonazione, avviati con un certo ritardo rispetto all’evento sismico e ancora in corso, non hanno interagito con il Progetto C.A.S.E. che si è mosso su un binario tutto suo, prescindendo da uno studio della pericolosità sismica locale. C’è da augurarsi che in futuro tutti i centri abitati possano disporre di carte di microzonazione sismica elaborate con criteri standard in modo che si possa disporre di un quadro complessivo della pericolosità regionale.

Come si tiene conto della risposta sismica del terreno a livello di singolo manufatto?

Dal momento che nei terreni possono avvenire fenomeni di amplificazione della risposta sismica - e quindi le azioni sismiche trasmesse dal terreno alla struttura sono maggiori rispetto al terreno roccioso pianeggiante - le strutture devono essere dimensionate per resistere a queste azioni maggiorate. Tra le novità positive delle NTC-08 (D.M. 14 gennaio 2008) vi è appunto l’obbligo per il progettista di tenere conto degli effetti di amplificazione stratigrafica e topografica, e viene anche suggerito un metodo semplificato per modificare lo spettro di risposta elastico. Nelle NTC-08 vi sono poi anche altri obblighi. Si richiede, inoltre, che venga garantita la stabilità del sito di fondazione nei confronti di fenomeni di liquefazione e movimenti franosi. Se non si può scegliere altri siti occorre eliminare il pericolo con vari accorgimenti. Nell’ipotesi che il sito sia liquefacibile si può intervenire o modificando la struttura (dimensioni, carichi, profondità del piano di posa o tipo di fondazione) o consolidando il terreno con opportune tecniche di miglioramento delle sue caratteristiche meccaniche (pali di ghiaia drenanti, colonne di jet grouting, abbassamento della falda, ecc.). Nel caso dei movimenti franosi la stabilizzazione del pendio è in genere la pre-condizione.

Occorre sottolineare che in Italia i fenomeni di instabilità dei pendii durante i terremoti rappresentano un pericolo maggiore rispetto a quelli dovuti alla liquefazione, sia perché il territorio italiano prevalentemente montuoso è già altamente predisposto ai movimenti franosi, sia perché interessato da una fitta rete di infrastrutture (strade, ferrovie, ecc.) che hanno alterato le condizioni di equilibrio naturale dei pendii, e che, quindi, predispongono all’attivazione di movimenti franosi durante e dopo il terremoto. Il progettista deve, quindi, dare molta attenzione al problema dei potenziali movimenti del terreno.

 

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