Quando le azioni sismiche di progetto vengono superate

La rubrica “Le Interviste” che vuole mettere a tu per tu il lettore con personalità della ricerca e delle istituzioni, cercando di chiarire il più possibile l’opinione del mondo della ricerca nei riguardi di alcuni temi di ingegneria sismica e di sismologia. L’intento è quello di trattare in modo molto semplice e lineare dei temi che ai più possono sembrare complessi, andando a coinvolgere esperti del settore che rispondendo ad alcune domande cercheranno di chiarire i dubbi del lettori. Le interviste sono pensate e condotte da ricercatori esperti che attraverso domande specifiche riusciranno a raggiungere l’obiettivo previsto. Questa intervista è stata condotta dal sismologo Massimiliano Stucchi. 

Quella riportata nel 5 Quaderno di Progettazione Sismica è una versione rivista del colloquio tra Massimiliano Stucchi e Iunio Iervolino. 

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L'ingegneria sismica sta avendo un'evoluzione senza precedenti - in Italia e nel mondo - e questo comporta l'esigenza di un aggiornamento tecnico per i professionisti sempre più frequente, specialistico, affidabile. Per questo motivo EUCENTRE ed INGENIO hanno sviluppato una partnership che ha come obiettivo quello di ampliare la diffusione di approfondimenti dedicati alla Sismica. Su INGENIO sono quindi pubblicati i singoli Quaderni Tecnici dell'importante rivista "PROGETTAZIONE SISMICA" realizzata da EUCENTRE.

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Quando le azioni sismiche reali superano quelle di progetto.... 

La stampa riporta, con attenzione crescente, informazioni sull’avvenuto superamento – in occasione di terremoti forti in Italia – delle azioni sismiche di progetto previste dalla normativa sismica.

Il confronto fra le azioni sismiche di progetto, previste dalle attuali Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC), e i valori registrati in occasione di terremoti forti in Italia ha una storia abbastanza recente. Questo confronto è reso possibile dal fatto che le azioni sismiche di progetto sono espresse oggi in termini direttamente confrontabili con quelli delle registrazioni stesse, per esempio mediante spettri di risposta, cosa che non avveniva in passato.

Spesso l’informazione sui superamenti è accompagnata – nella stampa o da commenti inesperti – da un giudizio sommario di inadeguatezza delle norme sismiche e, a volte, dei modelli di pericolosità sismica sui quali si appoggiano. Questo giudizio rischia di gettare un’ombra anche sulla sicurezza degli edifici costruiti secondo quelle norme.

Facciamo chiarezza con il Prof. Iunio Iervolino

Ne parliamo oggi con Iunio Iervolino, ingegnere, professore ordinario per il settore scientifico-disciplinare Tecnica delle Costruzioni presso l’Università Federico II di Napoli, dove coordina anche il dottorato di ricerca in Ingegneria Strutturale, Geotecnica e Rischio Sismico. Tra le altre cose ha conseguito un dottorato in Rischio Sismico ed è stato allievo di C. Allin Cornell alla Stanford University in California. Da circa vent’anni si occupa di ricerca nel campo della pericolosità e del rischio sismico delle costruzioni. Ha recentemente scritto, per Hoepli, Dinamica delle Strutture e Ingegneria Sismica.

Da diversi anni ti sei occupato dei problemi di cui al titolo di questo colloquio. Ricordo un tuo lavoro in cui sostenevi che il confronto fra lo spettro di una singola registrazione con gli spettri della normativa non fosse “lecito” (e.g., Figura 1). In altri lavori, pubblicati con i tuoi collaboratori, hai analizzato le caratteristiche e la distribuzione dei “superamenti” in occasione dei terremoti più recenti, il cui numero è aumentato nel 2016 anche a seguito dell’aumento del numero di registrazioni (si veda l’esempio, ormai classico, delle registrazioni di Amatrice). Se non vado errato tu concludi che è impossibile evitare che si verifichino tali superamenti.

Sì, è praticamente impossibile qualunque sia la misura dell’intensità considerata (PGA, accelerazione spettrale, ecc.), oltre che essere incoerente con la logica dei codici di progettazione sismica più moderni, tra cui quello italiano. Le norme allo stato dell’arte, infatti, invece che fissare una intensità (cioè accelerazione) di progetto, fissano una probabilità tollerata che le azioni di progetto siano superate al sito della costruzione, per esempio, se il periodo di ritorno di progetto è 475 anni, allora c’è il 10% di probabilità che tale azione sia superata in 50 anni (i.e., l’intervallo che mediamente intercorre tra due superamenti successivi è 475 anni), per definizione. Una volta stabilita tale probabilità di superamento si determina, con la analisi di pericolosità, quale sia la intensità (accelerazione) che vi corrisponde al sito della costruzione. Con questa procedura si fa sì che le intensità di progetto siano diverse per siti diversi, ma che abbiano – per equità – la stessa probabilità di essere superate.

Figura 1 La figura è tratta da: Iervolino I., Giorgio M. (2017). È possibile evitare il superamento delle azioni di progetto nell’area epicentrale di terremoti forti? Progettazione Sismica, 8 (3)   

Essendo l’accelerazione di progetto stabilita sulla base di una probabilità che sia superata, è ben strano sorprendersi se essa poi venga effettivamente superata. Al massimo ci si può sorprendere (cioè biasimare l’analisi di pericolosità) se, al sito della costruzione, la misura di intensità in questione è superata troppo frequentemente (o anche troppo poco frequentemente) rispetto a quanto indicato dalla analisi di pericolosità.

Tuttavia, siccome essa, sempre per definizione, è superata mediamente ogni 475 anni, vuol dire che parliamo di un fenomeno (intenzionalmente) molto raro, quindi difficilmente nell’ambito dei dati a disposizione, da quando si registrano sistematicamente i terremoti (cioè dagli anni ’70 in Italia), si può fare questa valutazione in modo convincente per un qualunque sito (Iervolino, 2013).

Questo ragionamento dovrebbe anche aiutare a capire che, anche se il superamento della accelerazione di progetto a un dato sito è un fenomeno raro, guardando all’Italia intera, ogni qual volta che c’è un terremoto, di una magnitudo da moderata in su, c’è da attendersi che esso provochi almeno un superamento. Questo è il perché i superamenti non ci sembrano rari: perché, per definizione, lo sono per un dato sito, ma non per tutta l’Italia; si veda a tale proposito (Iervolino et al., 2019). Vale anche la pena dire che si può verificare più facilmente, rispetto a quella prevista dalla analisi di pericolosità, la frequenza osservata di superamento di accelerazioni con periodi di ritorno inferiori a 475 anni, e più e basso il periodo di ritorno più è facile fare questa verifica ‘sperimentale’. Essa però, oltre che essere poco interessante perché quelli che interessano la sicurezza strutturale sono i terremoti rari, non sarebbe estrapolabile, almeno non direttamente, per le intensità corrispondenti ai periodi di ritorno più lunghi.

Ma se i valori di progetto vengono superati sono ancora valide le analisi di pericolosità?

Sempre nei tuoi lavori recenti hai sostenuto che il fatto che i valori di progetto possano essere o vengano superati non pregiudica la validità delle analisi di pericolosità. Puoi spiegare meglio?

Per capire la prospettiva in cui ci si deve mettere quando si osservano dei superamenti si può pensare che l’Italia sia un bersaglio su cui si lancia una freccia, che sarebbe il terremoto che causa il superamento. Il bersaglio è grande, quindi ogni punto raramente sarà colpito (diciamo con un periodo di ritorno di 475 anni). D’altra parte, la freccia un punto lo colpisce, e questo avvera con il periodo di ritorno con cui sono scagliate le frecce, che è molto minore di 475 anni. Quindi, dalla prospettiva di chi guarda l’intero bersaglio il fenomeno del superamento molto meno raro che dal punto di vista del singolo sito. È facilissimo dimostrare analiticamente anzi, che se si guardano le accelerazioni che a tutti i siti hanno 10% di probabilità di essere superate in 50 anni allora, ci si aspetta che il 10% del territorio italiano dovrà avere osservato almeno un superamento in 50 anni. In questo senso dicevo che, più che smentire l’analisi di pericolosità, i superamenti la confermano, a meno che – come si diceva sopra – non si dimostri che i superamenti siano ‘troppi’ o ‘troppo pochi’. Rispondendo a questa domanda si può anche tornare a una delle domande precedenti, precisando che i superamenti osservati finora non sono, in generale, abbastanza per una verifica della frequenza dei superamenti sito per sito, ma permettono una valutazione complessiva dei superamenti in Italia; finora anche questi calcoli non hanno mai convin- centemente smentito la pericolosità.

Abbiamo dimostrato, ma è facile intuirlo, che il superamento delle azioni di progetto avviene quando il sito si viene a trovare nei pressi della sorgente di un terremoto da una certa magnitudo in poi. In effetti, il modello di pericolosità MPS04 (Stucchi et al., 2011) prevede intrinsecamente che, qualunque sia il sito in Italia, se esso si trova vicino (e.g., entro 5 km) dalla sorgente di un terremoto di magnitudo almeno sei, c’è da aspettarsi che la PGA (ma anche altre ordinate spettrali) con periodo di ritorno 475 anni sia superata. Questi terremoti li abbiamo chiamati ‘terremoti forti’, costruendo la mappa delle magnitudo nella cui area epicentrale c’è da attendersi il superamento delle azioni di progetto (Cito e Iervolino, 2020) (si veda la Figura 2). Come già detto ciò non contraddice l’analisi di pericolosità, ma ne è una caratteristica intrinseca, perché che il sito si trovi nell’area epicentrale di un terremoto di magnitudo da sei in poi è una cosa che avviene – parlando grossolanamente – mediamente, molto più raramente di 475 anni.

Figura 2 - Mappa dei terremoti ‘forti’, cioè le magnitudo minime con probabilità superiore al 50% di superare due ordinate spettrali con periodo di ritorno del superamento pari a 475 anni, qualora il terremoto occorresse entro 5 km (in alto), 15 km (al centro) e 50 km (in basso) dal sito. Le aree bianche indicano che per i siti in esse contenuti non ci sono terremoti, secondo il modello di Stucchi et al., 2011, che hanno più del 50% di probabilità di superare le ordinate spettrali in questione, qualora occorressero vicino al sito. Figura tratta da Cito e Iervolino, 2020.

...CONTINUA. 

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Massimiliano Stucchi è stato ricercatore presso il CNR, direttore della sezione INGV di Milano. Oggi collabora con Eucentre ed anima il blog “terremoti e grandi rischi”. Il blog “terremoti e grandi rischi” nasce nel settembre 2013 durante il processo “Grandi rischi” e ora ha lo scopo di dedicare spazio a materiali e opinioni riguardo al processo oltre che a dibattiti e interviste sui terremoti, i loro effetti e possibili modalità per la riduzione del rischio sismico.