Perché gli edifici crollano durante i terremoti? - Vicki V. May

Guarda la lezione completa: http://ed.ted.com/lessons/why-do-buildings-fall-in-earthquakes-vicki-v-may

I terremoti sono sempre stati fenomeni terrificanti, e sono diventati più letali con il crescere delle nostre città. Gli edifici che crollano sono diventati uno dei più grandi rischi. Ma perché gli edifici crollano durante un terremoto? E come si può prevenire? Vicki V. May spiega tramite la fisica perché non sono gli edifici più rigidi, ma quelli più intelligenti a rimanere in piedi.

Lezione di Vicki V. May, animazione di Pew36 Animation Studios.

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.