Terremoti e rischio sismico

Il terremoto

Il terremoto (dal latino terrae motus, cioè movimento del terreno) è una testimonianza della dinamica in atto nel nostro pianeta. Nell’antichità, i terremoti erano visti come presagi di eventi ancora più catastrofici ed erano esaminati ed interpretati da indovini o sacerdoti, i quali chiedevano sacrifici alle popolazioni al fine di scongiurare tali eventi. Gli antichi credevano che i fenomeni sismici fossero causati dai movimenti di animali su cui poggiava la Terra. I i primi a tentare una spiegazione non mistica del fenomeno furono i greci. Aristotele ad esempio credeva che i terremoti fossero causati da il vento sotterraneo che incendia materiale combustibile. Solo negli ultimi 2 secoli però l’uomo ha cominciato a studiare il fenomeno in maniera critica scindendolo dai più svariati significati di mistero e magia che gli erano stati attribuiti. In particolare, dopo il grande terremoto di San Francisco del 1906 (grazie a misure geodetiche effettuate prima e dopo il terremoto) Reid enunciò la teoria del rimbalzo elastico. In base a questa teoria, a causa delle forze tettoniche agenti tra le placche litosferiche (parti della crosta terrestre che si muovono sul mantello), le rocce vengono sottoposte a sforzi. In queste condizioni e a pressioni non elevate le rocce hanno un comportamento fragile, come illustrato nel diagramma della figura accanto. La roccia si deforma elasticamente fino ad un valore A dello sforzo (movimento presismico), al di sopra del quale la relazione non è più lineare. Quando gli sforzi associati a tali deformazioni superano le forze d'attrito della roccia viene raggiunto il valore C (punto di rottura) e la roccia si rompe lungo superfici di scorrimento chiamate faglie, liberando tutta l'energia accumulata fino a quel momento (rimbalzo elastico). Il punto interno in cui avviene tale fratturazione si chiama ipocentro e la verticale che dall’ipocentro porta sulla superficie terrestre individua un punto chiamato epicentro; la distanza tra epicentro e ipocentro è detta profondità focale. A seconda della profondità dell'ipocentro, che può variare da 7 a più di 600 km sotto il livello del mare, si distinguono: terremoti superficiali (da 0 a 70 km), terremoti medi (da 70 a 300 km) e terremoti profondi (oltre i 300 km). Meno profondo è l'ipocentro e maggiori sono gli effetti del terremoto in superficie.

L’energia prodotta all’ipocentro si propaga in tutte le direzioni sotto forma di onde elastiche (dette anche onde sismiche) che si distinguono in onde P e S. Le onde P sono onde compressionali, dette anche longitudinali, in cui le oscillazioni delle particelle del mezzo avvengono nella direzione di propagazione dell’onda. Sono, fra le onde generate da un terremoto, le più veloci, e dunque le prime avvertite ad una stazione sismica, da cui il nome di Onda P (Primaria). La loro velocità è funzione del modulo d’incompressibilità, del modulo di rigidità del mezzo e della densità. Le onde S sono invece onde trasversali e si propagano in modo da fare oscillare il mezzo in direzione ortogonale alla direzione di propagazione con una velocità funzione del modulo di rigidità del mezzo e della densità. Esse raggiungono velocità che si aggirano solitamente intorno al 60-70% della velocità delle Onde P. Questo è il motivo per cui esse vengono avvertite sempre dopo le Onde P (da cui la denominazione onde S come Secondarie). Un' altra importante caratteristica di queste onde è che non possono propagarsi in mezzi fluidi, in cui il modulo di rigidità è nullo. Non è possibile dunque riscontrarle nel magma presenti nel serbatoio magmatico di un vulcano o nel nucleo esterno liquido della Terra. Il rapporto Vp/Vs è costante e caratteristico per ogni tipo di materiale.

Quando le onde sismiche raggiungono la superficie, a causa della discontinuità del mezzo, si generano onde superficiali, che si distinguono in onde di Love e onde di Rayleigh. Le prime si propagano su un piano orizzontale, rispetto alla superficie, in direzione ortogonale alla direzione di propagazione dell’onda e si generano se la velocità delle onde S diminuisce man mano che si avvicinano alla superficie; le seconde, generate dalla composizione vettoriale delle onde S e P, si propagano su un piano verticale, rispetto alla superficie, in direzione ortogonale alla direzione di propagazione dell’onda. In un mezzo omogeneo la loro velocità è 0,92vs, mentre in un mezzo disomogeneo (come la Terra) la loro velocità varia in funzione della lunghezza d’onda tra 0 e 0,92vs.

Per dare una completa caratterizzazione dei terremoti è necessario determinare l’energia liberata all’ipocentro. Fino ai primi decenni del secolo scorso, per determinare l’intensità di un terremoto si è cercato di relazionarlo agli effetti che esso aveva sulle costruzioni e sulle persone. La prima scala d’intensità universalmente accettata fu quella di Rossi e Forel nel 1873, essa era composta da 10 livelli d’intensità, correlati al danno che un sisma faceva sulle abitazioni. Nel 1902 Mercalli propose una scala, modificata successivamente da Wood e da Newmann nel 1931, che è attualmente in uso in Europa e negli Stati Uniti e che consiste di 12 gradi d’intensità crescenti, i quali sono associati ai danni che il terremoto produce sulle costruzioni. Nel 1963 i russi Medvedev, Karnik e Sponheuer proposero un’altra versione della scala Mercalli, chiamata successivamente scala MKS, che differisce dalla scala Mercalli di ± 0,5 gradi. Lo studio di un terremoto fatto con queste scale avviene attribuendo ad ogni località il grado d’intensità corrispondente agli effetti rilevati e il successivo disegno, su una mappa, delle linee di uguale intensità, chiamate isosiste. Studi effettuati con queste scale assumono una certa importanza per la ricostruzione dei terremoti storici, per i quali non si avevano a disposizione gli strumenti attuali; però esse sono  fortemente influenzate dalla distribuzione delle aree abitate.

Per misurare quindi l’intensità di un terremoto indipendentemente dalla distribuzione dei centri abitati, e cioè l’energia rilasciata all’ipocentro, nel 1935 Richter usò il concetto di “magnitudo”, che è un parametro definito come il logaritmo in base 10 dell’ampiezza massima(Amax), misurata in micron, della registrazione, ottenuta con un sismografo standard (tipo Wood-Anderson), di un terremoto avvenuto ad una distanza epicentrale di 100km. Per distanze superiori a 100km, lo si può calcolare se si conosce la legge di attenuazione dell’ampiezza delle diverse onde sismiche. L’espressione usata da Richter nel 1936, dopo avere monitorato numerosissimi terremoti in California, è:

dove D è la distanza epicentrale misurata in km. Questa espressione esprime però la magnitudo locale. Definizioni generali più adoperate sono quella di Gutenberg e Richter riferita ad onde Rayleigh (1936)[1] e quella di Båth riferita ad onde superficiali di periodo T [2].

Essendo la magnitudo un parametro dell’energia liberata all’ipocentro, essa vi è legata dalla relazione:

dove b e c sono due costanti e M è la magnitudo. Negli anni 70 è stata proposta dal geofisico giapponese Kanamori e dal sismologo americano Hanks una scala di misurazione della forza dei terremoti alternativa alla scala Richter: i problemi fondamentali consistono nel fatto che i valori della scala Richter sono debolmente correlati con le caratteristiche fisiche della causa dei terremoti, e inoltre tale scala, per valori di magnitudo superiori a 6, non permette di distinguere bene eventi che in realtà sono molto differenti. La scala formulata è stata chiamata scala di magnitudo del momento sismico, dove per momento sismico si intende il momento delle coppie di forze associate alla sorgente sismica, esprimibile come il prodotto dello spostamento medio che avviene lungo la faglia, della superficie contenente la faglia e del modulo di rigidità del mezzo considerato.

Essendo il terremoto un fenomeno improvviso, la possibilità di prevederlo risiede esclusivamente nell’individuazione di eventi che lo precedono (fenomeni precursori), nell’ambito comunque di modelli che descrivono l’evoluzione delle dinamiche che portano al terremoto. Osservazioni effettuate in alcune aree ad elevata sismicità (Giappone, Cina, California) hanno mostrato che alcuni terremoti di magnitudo maggiore a 4-5 gradi della scala Richter, sono stati preceduti da variazioni significative di alcuni parametri, quali campi elettrici e magnetici, rapporto delle velocità delle onde P ed S, variazioni nella concentrazione di Radon nelle acque e nell’atmosfera, ecc. Tali osservazioni, associate ad esperimenti sulla fratturazione delle rocce, hanno portato i geofisici a formulare due modelli di previsione, uno russo e uno americano, chiamati modelli di dilatanza. Entrambi i modelli prevedono che il terremoto si sviluppi in tre fasi: nella prima fase (comune ad entrambi), si ha accumulo di energia elastica; nella seconda fase si ha la comparsa di numerose fratture nella zona sottoposta a pressione e un aumento anomalo del volume della roccia (dilatanza appunto) che comporta una diminuzione del rapporto tra le velocità delle onde P ed S (nel modello americano si ha un aumento del flusso d’acqua nella roccia a causa della fatturazione); nella terza fase si ha la distinzione principale tra i due modelli: nel modello americano, l’arrivo di fluidi dalle zone circostanti fa abbassare il punto di rottura della roccia che, associato all’aumento della tensione applicata, porta alla frattura della roccia; nel modello russo la deformazione delle rocce e l’aumento delle fratture fanno inizialmente diminuire la tensione, la quale torna successivamente ad aumentare fino a giungere alla frattura definitiva della roccia.Nonostante questi modelli consentano di indicare alcuni precursori sismici, in realtà le cose stanno ben diversamente, perché non sempre i terremoti si sviluppano dando luogo ai fenomeni precursori indicati. Pertanto la mancanza di un efficace modello dinamico della fratturazione delle rocce fa sì che le previsioni dei terremoti non siano da ritenere ancora attendibili.

Ciò che si può allora fare per fronteggiare un terremoto è attuare delle misure di prevenzione che consentano di limitare i danni che esso può causare. Tali danni dipendono essenzialmente dal grado di urbanizzazione del territorio (l'area potrebbe essere completamente disabitata oppure essere molto popolata e avere centri urbani con ricco patrimonio storico e artistico, insediamenti industriali e reti di comunicazione) ma anche dalla capacità di costruire edifici resistenti ai terremoti più forti che possiamo aspettarci. A parità di magnitudo, per quanto violento, un terremoto può quindi causare pochissime vittime se la zona in cui ha luogo non è molto popolata. Giusto per fare un esempio ricordiamo tra i più recenti terremoti storici quello avvenuto nel 1957 in Alaska nelle isole Andreanof (magnitudo 8.6 Kanamori) o in Kamchatka nel 1952 (magnitudo 9 Kanamori). Entrambi gli eventi non causarono vittime, eccetto la morte di 6 mucche in Kamchatka, in quanto le zone sono scarsamente popolate. Di contro il numero di vittime del terremoto in turkmeinistan (U.R.S.S.) del 1948 (di magnitudo 7.3 Kanamori) ammontò a 110 mila e quello del 1976 in Cina (che colpì le città di Tientsin e Tangshan e di intensità pari a 8.2 gradi Kanamori) fu pari a 242 mila. In quest'ultimo caso il numero di vittime fu così elevato proprio per l’inadeguatezza delle costruzioni e la loro locazione nei pressi delle faglie o su terreni alluvionali. Il buon senso dovrebbe quindi limitare l’urbanizzazione nelle zone potenzialmente più soggette a terremoti ma questo, purtroppo, non avviene quasi mai; pertanto nel processo di urbanizzazione bisogna tenere conto del rischio sismico.

Ma cosa si intende per “rischio sismico”? Il rischio sismico è la misura dei danni che, in base al tipo di sismicità, di resistenza delle costruzioni e di antropizzazione (natura, qualità e quantità dei beni esposti), ci si può attendere in un dato intervallo di tempo a seguito di un terremoto. Esso è determinato dalla combinazione di tre fattori: pericolosità, vulnerabilità e esposizione.

  • La pericolosità sismica viene definita come la probabilità che in una data area ed in un certo intervallo di tempo si verifichi un terremoto che superi una soglia di intensità, magnitudo o accelerazione di picco (valore di accelerazione massima del suolo misurata durante un terremoto). Gli studi di pericolosità sismica sono impiegati nelle analisi territoriali e regionali finalizzate a zonazioni. In quest’ultimo caso, la valutazione della pericolosità comporta l’individuazione delle aree che, in occasione di una scossa sismica, possono essere soggette a fenomeni di amplificazione; infatti, il terremoto determina effetti diversi in funzione delle condizioni geologiche e geomorfologiche locali, fornendo utili indicazioni per la pianificazione urbanistica. In Italia il livello di pericolosità sismica è medio-alto. La sismicità della Penisola italiana è infatti legata alla sua particolare posizione geografica, perché situata nella zona di convergenza tra la placca africana e quella eurasiatica e dunque sottoposta a forti spinte compressive, che causano l’accavallamento dei blocchi di roccia. Ogni comune italiano è classificato per legge secondo la pericolosità sismica e questa classificazione si basa soprattutto sull'analisi dei terremoti del passato.Più una certa area è stata colpita da forti terremoti nel corso della sua storia e più è probabile che lo sia in futuro. Nella figura a lato le zone colorate in azzurro corrispondono alle aree meno pericolose, quelle colorate in rosso a quelle più a rischio (dove possono verificarsi terremoti distruttivi). ·         La vulnerabilità è la predisposizione di una costruzione ad essere danneggiata da una scossa sismica. Quanto più un edificio è vulnerabile (per tipologia, progettazione inadeguata, scadente qualità dei materiali e modalità di costruzione, scarsa manutenzione), tanto maggiori saranno le conseguenze che ci si deve aspettare in seguito alle oscillazioni cui la struttura sarà sottoposta. Una delle cause principali di morte delle persone durante un terremoto è infatti il crollo delle abitazioni e di altri edifici. Per ridurre le perdite di vite umane, è allora necessario rendere sicure le strutture edilizie. La valutazione sulla vulnerabilità di un edificio viene effettuata o sulla base di valutazioni di tipo statistico (classificazione degli edifici in funzione dei materiali e delle tecniche con cui sono costruiti) o meccanicistico (modelli teorici riproducono le principali caratteristiche degli edifici da valutare studiandone i danni causati da terremoti simulati). A queste valutazioni vengono poi associati i giudizi esperti, al fine di individuare i fattori che determinano il comportamento delle costruzioni e valutarne, in termini qualitativi e quantitativi, la loro influenza sulla vulnerabilità. L’Italia ha una vulnerabilità molto elevata per la notevole fragilità del suo patrimonio edilizio, nonché del sistema infrastrutturale, industriale, produttivo e delle reti dei servizi. Questo fa si che il rapporto tra i danni prodotti dai terremoti e l’energia rilasciata nel corso degli eventi sia più alto di altri Paesi a rischio come la California o il Giappone.·         L’esposizione è la maggiore o minore presenza di beni a rischio e, dunque, la conseguente possibilità di subire un danno (economico, in vite umane, ai beni culturali, ecc). In Italia tale fattore si atttesta su valori altissimi, in considerazione dell’alta densità abitativa e della presenza di un patrimonio storico, artistico e monumentale unico al mondo. Ad esempio, il terremoto del 1997 in Umbria e nelle Marche, che ha fortemente danneggiato circa 600 chiese, ha prodotto un quadro di danneggiamento (senza tetto: 32.000; danno economico: circa 10 miliardi di Euro) confrontabile con quello della California del 1989 (14.5 miliardi di $ USA), malgrado fosse caratterizzato da un’energia circa 30 volte inferiore.L'Italia è anche luogo di terremoti tra i più energetici della storia. Un grande terremoto che ha sconvolto l'Italia causando danni gravissimi è stato quello Calabro-Messinese 1908, uno degli eventi più catastrofici del XX secolo. Alle 5:21 del 28 Dicembre 1908 i sismografi registrarono un terremoto di altissima magnitudo ma le strumentazioni dell'epoca non permettevano di localizzare in quale città o regione vi fosse stato l'epicentro. A tal proposito gli addetti all'osservatorio Ximeniano (Firenze) annotarono:<<Stamani alle 5:21 negli strumenti dell'Osservatorio è incominciata una impressionante, straordinaria registrazione: “Le ampiezze dei tracciati sono state così grandi che non sono entrate nei cilindri: misurano oltre 40cm. Da qualche parte sta succedendo qualcosa di grave.>>. Il terremoto, che stava interessando l'area dello Stretto di Messina, durò 37 secondi durante i quali danneggiò in modo gravissimo le città di Messina e Reggio Calabria e i paesi ad esse vicini. Durante il sisma si generò uno tsunami le cui onde si riversarono sulle rispettive coste sicula e calabra. Le vittime furono circa 80.000 soltanto a Messina su una popolazione di circa 140.000 abitanti e soltanto il 2% degli edifici non rimase danneggiato.Tutti gli edifici del Corso Garibaldi che si estendeva da Piazza Purgatorio fin oltre piazza Ottagona furono ridotti a rovine con l'eccezione del Teatro Vittorio Emanuele, raro esempio di buona costruzione. Anche la famosa Palazzata, lunga fila di sontuosi palazzi riuniti da arcate per costruire un unico edificio che si sviluppava lungo la strada del porto, ebbe gravi crolli.Diverse porzioni dell'edificio presero fuoco o crollarono nei giorni successivi alla scossa del 28 Dicembre fino a quando fu definitivamente abbattuta. Anche dal lato calabro i danni furono ingenti. A Reggio Calabria le vittime furono circa 15.000 su una popolazione di 45.000 abitanti.Caserme ed ospedali subirono gravi danni, 600 le vittime del 22° fanteria dislocate nella caserma Mezzacapo, all'Ospedale civile, su 230 malati ricoverati se ne salvarono solo 29. Numerose furono le vittime anche nei paesi limitrofi come Campo Calabro, Palmi e Villa San Giovanni. Ai danni provocati dalle scosse sismiche ed a quello degli incendi si aggiunsero quelli cagionati dal maremoto le cui ondate devastanti provocarono ulteriori vittime. Secondo il sismologo Baratta (1910) gli effetti del terremoto furono così forti da spingere Giuseppe Mercalli ad aggiungere l'XI e il XII grado alla scala macrosismica da lui stesso introdotta qualche anno prima, nel 1902. Per quanto intenso fu il terremoto (che raggiunse i 7,1 gradi della scala Richter e tra XI e XII della scala Mercalli) gli enormi danni furono soprattutto conseguenza dell'inadeguatezza della maggioranza delle costruzioni dell'epoca in termini di protezione dal sisma. A tal proposito Fusakici Omori (sismologo giapponese) scrisse “ a confronto con quanto sarebbe accaduto in una città giapponese, per ogni 1000 vittime della città di Messina, 998 devono essere considerate una conseguenza della scarsa qualità delle costruzioni dal punto di vista sismico”. Bisogna però osservare anche che gli effetti del terremoto furono amplificati dai danni subiti a causa dei terremoti precedenti del 1894, 1905, 1907. In genere é difficile prevedere quale sia il tipo di danno che si può verificare durante un terremoto in quanto esso dipende da molteplici fattori quali il tipo di struttura dell'edificio (muratura, calcestruzzo armato, acciaio), l’età di costruzione, la configurazione della struttura, i materiali utilizzati per edificarla, le condizioni del luogo dove è stata costruita, la vicinanza con altre costruzioni ecc. Durante un terremoto infatti un edificio si può danneggiare in diversi modi e riportare danni strutturali (cioè agli elementi portanti, come pilastri, travi, setti murari) e danni non strutturali (come camini, cornicioni, tramezzi, tamponature). Se la struttura è capace di subire grandi deformazioni, potrà anche subire gravi danni, ma non crollerà. Si dice in tal caso che la struttura è duttile. Il danno degli edifici dipende poi dalla durata e dall’intensità del terremoto: più questo è forte, più tende a scuotere a lungo e più forte il terreno e, quindi, a causare danni alle strutture. Ciò che allora si può fare è di attuare delle forme di prevenzione dei disastri, ovvero attuare delle misure antisismiche. Queste prevedono che le costruzioni in genere rispettino delle norme prestabilite il cui scopo è quello di assicurare che in caso di evento sismico sia protetta la vita umana, siano limitati i danni e rimangano funzionanti le strutture essenziali agli interventi di protezione civile. In Italia, in base alla normativa sismica sugli edifici aggiornata al 25/03/03, un primo controllo è quello dei terreni di fondazione, ovvero quelli su cui vengono edificate le costruzioni terreni che, devono essere esenti da rischi di instabilità dei pendii e di cedimenti permanenti. Le strutture degli edifici, ivi compresi gli eventuali dispositivi antisismici di isolamento e/o dissipazione pur subendo danni di grave entità agli elementi strutturali e non strutturali devono poi mantenere una residua resistenza e rigidezza nei confronti delle azioni orizzontali e l’intera capacità portante nei confronti dei carichi verticali. Sulla base di tali controlli, si distinguono diversi livelli di protezione antisismica che sono differenziati in funzione dell’importanza delle costruzioni (scuole, ospedali,forze armate o protezione civile) e del loro uso. Sono così istituite diverse categorie d’importanza a ciascuna delle quali è associato un fattore d’importanza. A ogni categoria corrispondono norme tecniche più o meno stringenti che i comuni classificati come sismici devono rispettare in fase di progettazione di costruzioni nuove e di adeguamento di quelle vecchie. A volte però le speculazioni edilizie sono più forti del senso di responsabilità che dovrebbe avere chi costruisce le abitazioni. E' in casi come questi che anche al giorno d'oggi (dove le conoscenze dell'ingegneria sismica sono molto più avanzate di un tempo) si assiste a drammatiche distruzioni come quelle del recente terremoto del 6 Aprile scorso all'Aquila che ha abbattutto moltissimi edifici, anche di nuovissima costruzione. Di contro Paesi come la Cina o il Giappone, dove forse è più forte il senso civico, hanno fatto grossi passi in avanti nell’ambito delle misure antisismiche. Nel 1556 il terremoto dello Shaanxi in Cina (uno dei più disastrosi terremoti storici mondiali) causò la morte di 850 mila persone.Allora c'era poco da fare contro i terremoti perchè non si avevano conoscenze adeguate. Oggi invece questi Paesi si sono mobilitati riuscendo a trovare soluzioni architettoniche tecnologiche. In Cina uno dei grattacieli più alti del mondo, il Taipei 101 (situato a Taiwan), include una particolare struttura sferica, gigantesca, per attenuare lo spostamento della struttura; la sfera, che occupa l’equivalente in altezza di quattro piani per un costo di 4 milioni di dollari, è in grado di ridurre gli spostamenti dell’edificio di ben 40 percento durante la il sisma[10]. In Giappone invece, le oscillazioni degli edifici vengono smorzate da cuscinetti antisismici posti alla base degli edifici, da strutture in acciaio molto più elestiche e avvolte da fibre di carbonio che aumentano la resistenza alle fratture, da porte e finestre ad architrave mobile per le escursioni da sisma e sono previsti sistemi di scale per raggiungere in fretta i piani inferiori in caso di fuga [11].Insomma uno sforzo notevole. Forse, in futuro, potremmo anche noi evitare il ripetersi di altre catastrofi ma di certo abbiamo ancora molto da imparare. Articolo realizzato da Fabio Pulvirenti e Luca Manzella. Bibliografia Gasparini P., Mantovani M.S.M. “Fisica della Terra solida”, Liguori editore [1] Gutenberg B., Richter C.F. “On seismic waves (third paper)” Beitr Geoph., 1936 [2] Båth M. “Earthquake energy and magnitude” Phys. Chem. Earth, 1966 [3] Valenzise et al., 2008  “La sorgente del terremoto del 1908 nel quadro sismotettonico dello Stretto di Messina” [4] http://it.wikipedia.org/wiki/Terremoto [5] http://spazioinwind.libero.it/sismica/terremoto/terremoto.htm [6] http://it.wikipedia.org/wiki/Onde_sismiche [7] http://eduseis.na.infn.it/didattica/moduloV/strutturaterra.htm [8] http://www.protezionecivile.it/minisite/index.php?dir_pk=249 [9] http://italya.net/hipparcos/TerremotoSiciliaCalabria1908.htm [10]http://www.tecnocino.it/foto/sfera-antisisma-taipei-101/

    [11] http://giappopazzie.blogspot.com/2009/05/sistemi-anti-sismici-giapponesi-parte.html