Riassunto / Abstract

La risposta dinamica di un edificio quando viene sollecitato dallo scuotimento del suolo generato un terremoto è uno dei fattori più importanti che controlla i danni che gli edifici subiscono durante il verificarsi di un terremoto. Quando si genera un terremoto lungo il piano di faglia, le onde che si propagano raggiungono la superficie terrestre, producendo lo scuotimento del suolo che attraversano. Se lo scuotimento avviene in aree edificate (e se lo scuotimento è forte abbastanza), questo si trasferirà agli edifici. Attraverso questa attività, sarà possibile verificare quali sono gli effetti di un terremoto sul territorio, in funzione della tipologia di costruzioni e dei terreni sui quali le costruzioni si fondano (geologia del sottosuolo).

Scheda sintetica delle attività

Questa attività prevede tre tipi di esperienze che permettono di visualizzare:

La risonanza prodotta dalle onde sismiche negli edifici in relazione alla loro altezza
L’effetto di sito legato alle caratteristiche geologiche del sottosuolo (si veda anche l'esperimento 82-Scienze: La liquefazione dei terreni)
La vulnerabilità degli edifici in funzione di come sono costruiti

Queste tre esperienze vengono realizzate con una strumentazione che fa parte del kit didattico Sismo-box, presentato durante i laboratori itineranti in diverse scuole italiane e la cui guida è disponibile sulla piattaforma LS-OSA nella sezione 'Laboratori Itineranti'. Per realizzare l'esperienza non è necessario possedere il kit. Si possono realizzare solo i componenti del sismometro acquistando il materiale necessario in negozi di bricolage/cartoleria (tutto descritto e dettagliato nella guida). Attraverso procedure molto semplici si ottengono i singoli componenti che, allestiti in modo diverso, permettono di fare le tre esperienze sopraelencate.

Risorse necessarie

Per il reperimento del materiale e la realizzazione dei diversi componenti necessari per l'attività si può fare riferimento alla descrizione riportata nella guida del Kit didattico 'Sismo-box', disponibile nella parte della piattaforma LS-OSA dedicata ai Laboratori Itineranti oppure scaricandola qui. Il Kit contiene tutte le parti necessarie per la realizzazione di un sismometro ma non è necessario avere l'intero Kit, i singoli componenti possono essere realizzati separatamente seguendo le istruzioni riportare nella guida.

Per realizzare le tre esperienze è necessario avere il seguente materiale:

1. La risonanza prodotta dalle onde sismiche negli edifici in relazione alla loro altezza (figura 1)

Trapano avvitatore;
supporto per trapano avvitatore (pagine 60-61 della guida);
asticella per la trasmissione (pagine 61-62 della guida);
eccentrico (pagine 61-62 della guida);
supporto tavola vibrante con aste di legno (x 2) (pagina 55 della guida);
base in polistirene per fissare gli edifici (pagine 52-54 della guida);
edifici di 3 altezze differenti (pagine 50-51 della guida);
gommini che necessari per bloccare il movimento dell’eccentrico (ampiezza dello scuotimento) (pagine 61-62 della guida);

Figura 1: materiale necessario per l’esperimento sulla risonanza degli edifici . 1) Trapano avvitatore; 2) Supporto per trapano avvitatore; 3) Asticella per la trasmissione; 4) Eccentrico; 5) Supporto tavola vibrante con aste di legno (x 2); 6) Base in polistirene per fissare gli edifici; 7) Edifici di 3 altezze differenti; 89 Gommini che necessari per bloccare il movimento dell’eccentrico.

2. L’effetto di sito legato alle caratteristiche geologiche del sottosuolo (figura 2)

Stesso materiale per l'esperienza sulla risonanza più un supporto da realizzare che ‘simula’ la presenza di sedimenti poco consolidati (es. depositi alluvionali) (pagina 64 della guida)
Per l'esperienza sulla liquefazione si veda l'esperimento 82-Scienze: La liquefazione dei terreni

Figura 2: allestimento dell'esperimento sull'effetto di sito.

3. La vulnerabilità degli edifici in funzione di come sono costruiti (figura 3)

(vedi dove acquistare materiale alle pagine 42-44 della guida)

trapano avvitatore;
supporto per trapano avvitatore (pagine 60-61 della guida);
asticella per la trasmissione (pagine 61-62 della guida);
eccentrico (pagine 61-62 della guida);
supporto tavola vibrante con aste di legno (x 2) (pagina 55 della guida);
base in polistirene per fissare gli edifici (pagine 52-54 della guida);
edificio a 3 piani 'stabile' (pagine 50-51 della guida);
4 strisce di plastica e 4 piani di carton plume per costruire un edificio senza muri portanti (pagine 49-50 della guida);
gommini che necessari per bloccare il movimento dell’eccentrico (ampiezza dello scuotimento) (pagine 61-62 della guida);
spilli;
filo .

Figura 3: i due edifici 'simili' in altezza e materiale ma il primo a sinistra tenuto insieme da spilli e colla a caldo, il secondo a destra solo da spilli tra 'muri' e 'piani'.

Prerequisiti necessari

Saper definire il rischio sismico come prodotto di fattori (pericolosità, vulnerabilità, esposizione);
saper illustrare la differenza fra previsione e prevenzione sismica.

Obiettivi di apprendimento

Visualizzare il fenomeno della risonanza degli edifici associando la variazione di frequenza con la differente risposta sismica di edifici di altezza differente;
comprendere l’importanza delle caratteristiche geologiche dei terreni di fondazione nella stabilità degli edifici;
capire che, a parità di energia rilasciata da un evento sismico, le costruzioni costruite con criteri antisismici resistono meglio di costruzioni costruire in modo inadeguato.

Dotazioni di sicurezza

Nessuna

Svolgimento

1. La risonanza prodotta dalle onde sismiche negli edifici in relazione alla loro altezza

Prima d’iniziare l’esperimento, è necessario verificare che le diverse componenti del Kit siano disposte in modo appropriato (figura 4). In particolare:

il supporto del trapano deve essere fissato al tavolo con del nastro adesivo;
assicurarsi che l’asta di trasmissione sia ben fissata all’eccentrico in modo tale da non cambiare l’ampiezza dello scuotimento (questo di fa con i gommini in dotazione, vedi figura 4); l’ampiezza dello scuotimento può essere cambiata muovendo la trasmissione lungo l’eccentrico (più vicino o più lontano dal trapano avvitatore);
la batteria del trapano avvitatore non sia completamente inserita al trapano in modo tale da poterlo accendere e spegnere giocando con il movimento della batteria (vedi figura 4);
la tavola vibrante deve essere posizionata nella posizione migliore (funzione dell’asta di trasmissione tra trapano e tavola vibrante), e va fissata al tavolo con del nastro adesivo;
per fissare meglio gli edifici sulla tavola vibrante si può mettere un po’ di nastro adesivo sulle ‘fondazioni’ (vedi dettaglio in figura 4).

Figura 4: configurazione corretta per l’esperimento sulla risonanza degli edifici

Si procede quindi alla prova sperimentale che consiste nell’azionare il trapano avvitatore a differenti velocità (crescenti o decrescenti) e osservare qual è il comportamento dei singoli edifici. La variazione di velocità corrisponde alla variazione della frequenza dello scuotimento. Durante l’esperimento sarà possibile osservare come l’edificio alto (a 4 piani) alti vibri maggiormente a basse velocità (basse frequenze), l’edificio intermedio (a 3 piani) maggiormente a velocità intermedie (medie frequenze) mentre l’edificio più basso (a 2 piani) maggiormente ad alte velocità (alte frequenze). Per vedere il video dell’esperienza clicca qui.

2. L’effetto di sito legato alle caratteristiche geologiche del sottosuolo

Le onde sismiche che si propagano durante un terremoto viaggiano a una certa velocità. Quando, durante il loro percorso passano da rocce più dure (bedrock) a depositi non consolidati (come per esempio i depositi alluvionali di un fiume) succede che per conservare l’energia trasmessa queste onde diminuiscano bruscamente la velocità ma al tempo stesso aumentino fortemente l’ampiezza delle loro oscillazioni. Si parla di effetto di sito, che rappresenta uno dei fattori di rischio più temibili in aree caratterizzate da questo tipo di depositi.

La procedura dell’esperimento è molto simile a quella dell’esperimento 1. La risonanza prodotta dalle onde sismiche negli edifici in relazione alla loro altezza. La differenza consiste nella configurazione in quanto in questo esperimento si aggiunge un elemento (depositi alluvionali) tra la tavola vibrante e base degli edifici (figura 2).

Si avvia il trapano avvitatore partendo dalla massima velocità (alte frequenze). La variazione di velocità corrisponde alla variazione della frequenza dello scuotimento. Durante l’esperimento sarà possibile osservare come, diminuendo la velocità (frequenza), prima oscilli l’edificio più basso (a 2 piani), poi quello intermedio (a 3 piani), e poi l’edificio alto (a 4 piani). Contemporaneamente all’oscillazione dell’edificio a 4 piani, inizia ad oscillare l’elemento ‘depositi alluvionali’, indicando che la frequenza risonanza del terreno è esattamente quella raggiunta con la velocità del trapano avvitatore. A questo punto le oscillazioni sono molto forti e tutti gli edifici sono destabilizzati, a causa del forte scuotimento del terreno che è in risonanza. Per vedere il video clicca qui.

Un'altra esperienza che permette di capire l'importanza della geologia del sottosuolo sulla stabilità degli edifici è la liquefazione dei terreni (esperimento 82-Scienze).

3. La vulnerabilità degli edifici in funzione di come sono costruiti

In una zona colpita da un terremoto, si osserva spesso come gli edifici, pure avendo subito lo stesso scuotimento, risultano danneggiati in modo diverso. Come abbiamo visto, ogni edificio risponde in modo diverso alle sollecitazioni sismiche, sia per la tipologia edilizia che per la natura del terreno sul quale è costruito. Questi elementi concorrono a definire la vulnerabilità sismica, con cui viene valutata la propensione degli edifici ad essere danneggiati in seguito al verificarsi di un evento sismico. Nella premessa è stata fornita la definizione di rischio sismico. In particolare, si è visto che tra i diversi parametri che contribuiscono alla stima del rischio sismico in un’area, mentre sulla pericolosità l’uomo non può intervenire perché legato alla configurazione geologica di un’area (e quindi alla forza della natura che genera terremoti), sulla vulnerabilità si può intervenire.

Si costruisce l'edificio 'instabile' a 4 piani utilizzando le strisce di plastica, le basi in carton plume e gli spilli. Si dispongono gli edifici sulla base per edifici. Quando viene indotta una sollecitazione agli edifici, si osserverà che l'edificio senza muri portanti (tenuto insieme solo dagli spilli) cadrà alle prime sollecitazioni mentre l’altro (quello a 4 piani tenuto insieme da colla a caldo e spilli) rimarrà solidamente in piedi.

Questo comportamento è spiegato con il fatto che gli edifici caduti non sono costruiti in modo tale da avere una resistenza al taglio, necessaria per affrontare lo scuotimento indotto dal passaggio delle onde sismiche.

Ripetuti questi esperimenti un po’ di volte al fine di verificare che l'edificio senza sostegno cade sistematicamente, si interviene ‘strutturalmente’ su questo edificio. Si appone un rinforzo, rappresentato dal filo. Viene disposto a croce tra due muri, secondo le modalità riportate nella figura 5. Questo procedimento fa sì che gli edifici si irrobustiscano e acquisiscano una resistenza agli sforzi di taglio ai quali verranno nuovamente sottoposti.

Figura 5: esperimento con due edifici di 4 piani, uno con muri portanti e uno senza (quello di destra in figura a). Gli edifici vanno messi con i ‘muri’ paralleli alla direzione di movimento della tavola vibrante. Per vedere il video clicca qui.

Si osserverà, infatti, che riproducendo nuovamente l’esperimento, applicando cioè una nuova sollecitazione agli edifici, questi rimarranno tutti in piedi, confermando che l’intervento strutturale ha garantito maggiore solidità alla struttura. Questo tipo di intervento è comune negli edifici che devono resistere alle sollecitazioni indotte dai terremoti (figura 6).

Figura 6: esempio di rinforzo 'a croce' sugli edifici (Iran).

Note e storia

Durante un terremoto, lo scuotimento del suolo al di sotto di un edificio avviene in modo complesso. Questa complessità è dovuta principalmente al fatto che le onde (che già si originano non uniformi nella zona di faglia), prima di arrivare dall’ipocentro all’edificio attraversano rocce e terreni con caratteristiche diverse che le modificano. Inoltre, una volta che le onde raggiungono l’edificio, esse subiscono ulteriori modifiche in relazione alle caratteristiche dei terreni di fondazione al di sotto dell’edificio.

Le caratteristiche dello scuotimento del terreno che hanno maggiore rilevanza per gli edifici sono la durata, l’ampiezza (di spostamento, velocità e accelerazione), la direzione di vibrazione, e la frequenza dello scuotimento. In particolare, la frequenza è definita come numero di cicli completi di vibrazione compiuti dall’onda in un secondo, quindi un’intera lunghezza d’onda (figura 7). La frequenza è spesso misurata in Hertz (Hz): se due onde complete passano in un secondo, la frequenza è 2 Hz.

Figura 7: forma semplificata di un’onda (sismica).

La risposta degli edifici allo scuotimento del terreno è complessa quanto lo scuotimento stesso. L’edificio inizia a vibrare, con una distribuzione di frequenze propria. Tuttavia, le vibrazioni dell’edificio tendono a distribuirsi intorno a una frequenza specifica, nota come frequenza naturale o frequenza fondamentale. Generalmente più basso è l’edificio è più alta è la sua frequenza naturale, e più alto è un edificio e più bassa è la sua frequenza naturale. Spesso si parla anche di periodo naturale dell’edificio, che non è altro che l’inverso della frequenza. Mentre quindi la frequenza è il numero di volte per secondo che un edificio vibra avanti e indietro, il periodo è il tempo necessario per l’edificio a compiere una vibrazione completa. Quando si parla di periodo, dunque, più alto è un edificio e più alto è il suo periodo e viceversa. Esiste una regola empirica che stima il periodo di oscillazione degli edifici (T) in relazione al numero di piani (n) dell’edificio: $$ T = 0,1 \cdot n$$ Questa relazione implica che più sono i piani che costituiscono un edificio e più lungo è il suo periodo di oscillazione. Per esempio, un edificio di 10 piani avrà un periodo di oscillazione di 1 secondo, mentre un edificio di 5 piani avrà un periodo proprio di oscillazione di 0.5 secondi.

Autori

Cifelli Francesca

Gli effetti del terremoto sugli edifici