I terremoti sono da sempre un fenomeno terrificante
e sono diventati sempre più letali col crescere delle nostre città,
con il crollo degli edifici che diventa uno dei maggiori rischi.
Perché gli edifici crollano durante un terremoto
e come lo si può prevenire?
Guardando tanti film sui disastri naturali
potreste esservi fatti l'idea che il crollo di un edificio
sia causato direttamente dal terreno sottostante
che trema violentemente o che addirittura si apre e si separa.
Ma non è così che funziona.
Anzitutto, gran parte degli edifici non si trova esattamente sulla faglia
e il movimento delle placche tettoniche è molto più profondo delle fondamenta.
Allora cosa succede realmente?
In effetti, la dinamica dei terremoti e i loro effetti sugli edifici
sono un po' più complicati.
Per averne un idea, architetti e ingegneri usano dei modelli,
come una griglia bidimensionale di linee che rappresentano travi e pilastri,
oppure una serie di bastoncini con delle sfere
i cui cerchi rappresentano la massa degli edifici.
Nonostante il livello di semplificazione, questi modelli sono piuttosto utili
poiché prevedere le reazioni di un edificio al terremoto
è anzitutto una questione di fisica.
La maggior parte dei crolli durante i terremoti
in realtà non è causata dal terremoto in sé.
Al contrario, quando la terra si muove al di sotto un edificio,
provoca lo spostamento delle fondamenta e dei piani inferiori,
trasmettendo le onde d'urto al resto della struttura
e facendola vibrare avanti e indietro.
La potenza di questa oscillazione dipende da due fattori principali:
la massa dell'edificio, concentrata nella parte inferiore,
e la sua rigidezza
che è la forza necessaria a provocare un certo spostamento.
Oltre al materiale da costruzione e alla forma delle sue colonne,
la rigidezza dipende fondamentalmente dall'altezza.
Edifici più bassi tendono a essere più rigidi e a muoversi meno,
mentre gli edifici più alti sono più flessibili.
Potreste pensare che la soluzione sia costruire edifici più bassi
così da ridurre gli spostamenti al minimo.
Tuttavia, il terremoto del 1985 in Città del Messico
ne costituisce un buon controesempio.
Durante il terremoto,
molti edifici tra i 6 e i 15 piani sono crollati.
La cosa bizzarra
è che gli edifici più bassi lì vicino sono rimasti in piedi
e anche quelli con più di 15 piani sono stati meno danneggiati,
mentre quelli di media altezza che sono crollati,
sono stati visti muoversi molto più violentemente del terremoto stesso.
Come è possibile?
La risposta ha a che fare con una cosa chiamata frequenza naturale.
In un sistema in oscillazione,
la frequenza ci dice quante volte in un secondo
si ripete un'oscillazione completa, cioè avanti e indietro.
Si tratta dell'inverso del periodo,
che rappresenta i secondi necessari a completare un ciclo.
La frequenza naturale di un edificio, determinata da massa e rigidezza,
è la frequenza alla quale le vibrazioni tendono ad accumularsi.
Aumentando la massa di un edificio si abbassa il livello al quale vibrerebbe,
mentre aumentando la rigidezza le vibrazioni sono più veloci.
Quindi nell'equazione che rappresenta questa relazione
rigidezza e frequenza naturale sono direttamente proporzionali,
mentre la massa e la frequenza naturale sono inversamente proporzionali.
Ciò che è successo in Città del Messico è un effetto chiamato risonanza,
dove la frequenza delle onde sismiche
corrispondevano alla frequenza naturale degli edifici di media altezza.
Proprio come una spinta sull'altalena data al momento giusto,
ogni ulteriore onda sismica ha aumentato la vibrazione dell'edificio
nella direzione già avviata,
provocandone uno spostamento ancora maggiore e così via,
fino a spingerlo ben oltre lo spostamento iniziale.
Al giorno d' oggi gli ingegneri lavorano con geologi e sismologi
per predire le frequenze dei movimenti sismici in zone da edificare
così da prevenire i crolli dovuti agli effetti di risonanza
tenendo in considerazione fattori come il tipo di terreno o di faglia,
così come i dati dei precedenti terremoti.
Movimenti a basse frequenze provocheranno più danni
agli edifici più alti e flessibili
mentre i movimenti ad alte frequenze minacciano maggiormente
le strutture più basse e rigide.
Gli ingegneri hanno anche ideato modi per assorbire gli shock
e ridurre la deformazione usando sistemi innovativi.
L'isolamento alla base sfrutta strati flessibili
per isolare il movimento delle fondamenta dal resto dell'edificio,
mentre i sistemi con smorzatore a massa accordata eliminano la risonanza
oscillando fuori fase rispetto alla frequenza naturale
per ridurre le vibrazioni.
Per concludere: non sono gli edifici più robusti a restare in piedi
ma quelli più intelligenti.