Il sisma di magnitudo 7.4 che ha sconvolto Taiwan il 3 aprile 2024 è stato il più potente degli ultimi 25 anni. Sorprendentemente, nonostante la potenza del terremoto abbia inflitto danni a numerosi grattacieli, molti di essi hanno resistito senza crollare, rimanendo in piedi contro ogni aspettativa. Questa incredibile resistenza è il risultato di una progettazione meticolosa e di strategie preventive specificamente ideate per contrastare le catastrofi naturali.
Taiwan si trova in una zona sismica molto attiva e le autorità hanno da tempo adottato precauzioni rigorose. Tra queste, un dispositivo che ha visto il contributo di ingegneri italiani.
Il celebre grattacielo Taipei 101, detentore di diversi primati, è stato protetto dal terremoto grazie a una gigantesca sfera posizionata tra l'87º e il 92º piano dell'edificio. Questa soluzione è il risultato del lavoro svolto dall'azienda Fip Mec di Selvazzano (Padova), con il supporto di Renato Vitaliani, ex docente di ingegneria civile edile e ambientale presso l'Università di Padova, attualmente in pensione.
Indice
Taiwan sotto l'urto del terremoto: bilancio drammatico e rischi crescenti
Un terremoto devastante, il più forte degli ultimi 25 anni, ha scosso Taiwan causando la morte di almeno nove persone e ferendone oltre mille. Tuttavia, il bilancio continua a salire, con decine di individui ancora dispersi o intrappolati sotto le macerie, inclusi i settanta lavoratori sorpresi nelle miniere di carbone dalle viscere della terra. Il sisma, di magnitudo 7.4 secondo l'Usgs americano o 7.2 secondo le autorità di Taipei, ha richiamato alla mente il tragico evento del 1999, quando una scossa di 7.6 causò la perdita di circa 2.400 vite e danneggiò o distrusse oltre 50.000 edifici.
A Taipei, l'iconico grattacielo '101' ha oscillato pericolosamente sia durante la scossa principale che durante le successive scosse di assestamento. Nel frattempo, la metropolitana e i treni ad alta velocità sono stati fermati per consentire ispezioni di sicurezza, evidenziando la crescente preoccupazione per la vulnerabilità delle infrastrutture in caso di eventi sismici di tale portata.
Riduzione dei danni sismici mediante sistemi ingegneristici innovativi
- Sistemi antisismici: utilizzo di pareti e pilastri speciali per resistere alle scosse
- Sistemi di smorzamento: dissipano l'energia cinetica generata durante un terremoto
- Isolamento sismico: separa la parte superiore della struttura dalle fondazioni per evitare la propagazione delle onde sismiche
spiega che l'isolamento alla base consente di disaccoppiare la sovrastruttura dall'oscillazione del terreno, riducendo così la trasmissione dell'energia sismica. Questo sistema, nato in negli anni '50, permette agli edifici di "scivolare" su uno strato di ghiaia per dissipare l'energia sismica. Attualmente, vengono impiegati isolatori sotto i pilastri della struttura, composti da cilindri o quadrati di neoprene armato con nucleo in piombo per dissipare l'energia. Questi isolatori consentono lo spostamento della struttura durante un terremoto e il ritorno alla posizione iniziale una volta che l'evento sismico è terminato, simile al funzionamento delle ruote di un'automobile.
Taiwan, precauzioni e innovazioni nella difesa antisismica
Grazie alle misure preventive adottate, il recente terremoto di Taiwan ha avuto conseguenze meno gravi del previsto. Taiwan, situata in una zona ad alta sismicità, ha implementato normative antisismiche rigorose. Secondo l'ingegnere Vitaliani, i palazzi che hanno resistito, ma che ora sono inclinati, sono probabilmente il risultato di una corretta costruzione, nonostante la possibile liquefazione del suolo. Questo fenomeno, che si verifica nei terreni sabbiosi durante le scosse, aumenta la pressione dell'acqua e può causare l'inclinazione degli edifici, come se fossero su sabbie mobili. Per contrastare ciò, si costruiscono pozzi artesiani che riducono la pressione collegando l'acqua con la superficie.
Il terremoto del 1999 fu devastante, con 2.400 vittime e 50.000 edifici danneggiati. Da allora, Taiwan ha compiuto progressi significativi nell'edilizia antisismica. L'ingegnere Vitaliani evidenzia l'uso di avanzati sistemi di smorzamento che dissipano l'energia cinetica dei terremoti e isolano la struttura dei grattacieli dalle fondazioni, prevenendo la propagazione delle onde sismiche. Gli isolatori sismici, composti da strati di neoprene con nucleo in piombo, vengono installati sotto i pilastri degli edifici, permettendo loro di spostarsi durante la scossa per poi ritornare alla posizione originale. Queste tecnologie hanno contribuito a salvare molte vite. Inoltre, tra le varie strategie adottate per prevenire i disastri, figura anche un sistema di origine italiana.
Taipei 101, un grattacielo antisismico che sfida le leggi della fisica
Inaugurato nel dicembre del 2004 dopo sei anni di lavori, il Taipei 101 è una torre imponente in vetro e acciaio alta 508 metri, progettata dall'architetto taiwanese C.Y. Lee. Il suo profilo, che ricorda uno stelo di bambù in vetro verde acqua, simboleggia forza e longevità nella cultura asiatica. Il nome "Taipei 101" deriva dai suoi 101 piani, che ospitano uffici, ristoranti, servizi e una rotonda all'ultimo piano per ammirare il panorama cittadino, oltre a cinque piani sotterranei adibiti a parcheggio.
Ma ciò che rende davvero speciale il Taipei 101 è il suo dispositivo di protezione dalle azioni orizzontali causate da terremoti o forti raffiche di vento: una massiccia sfera d'acciaio posizionata sulla sommità della struttura. Questo sistema, tecnicamente noto come TMD (Tuned Mass Damper), è il più grande del mondo. È una vera meraviglia dell'ingegneria strutturale, poiché stabilizza la struttura durante movimenti violenti provocati dalle vibrazioni armoniche, assicurando la sicurezza e la stabilità del grattacielo.
Taipei 101, tra critiche e successo turistico
Il Taipei 101, costato 1,3 miliardi di euro, ha suscitato critiche da parte del sismologo Lin Cheng-horng dell'Università Normale di Taiwan. Durante la sua costruzione, Cheng-horng metteva in guardia sui potenziali rischi associati al peso dell'edificio, allora il più alto del mondo con circa 700 mila tonnellate, e alla pressione esercitata sul terreno. Aveva sottolineato che l'edificio avrebbe potuto aumentare il rischio sismico nell'isola, sostenendo che rischiava di essere costruito sopra una faglia.
Nonostante le preoccupazioni iniziali, il Taipei 101 è diventato un'icona di Taipei e una nota attrazione turistica. Rivestito da cristalli verde chiaro e con 90 mila tonnellate di acciaio fornite dalla Permasteelisa di Conegliano Veneto (Treviso), l'edificio si distingue anche grazie al suo già menzionato Tuned Mass Damper, un dispositivo di ingegneria strutturale, che i progettisti hanno scelto di esporre piuttosto che nascondere. Gli spazi dove è posizionato il dispositivo sono aperti al pubblico e visitabili, aggiungendo un ulteriore fascino alla struttura.
La resistenza del Taipei 101, un miracolo dell'ingegneria
Anche il Taipei 101, l'undicesimo grattacielo più alto al mondo con i suoi 101 piani, è stato messo alla prova dalle violente scosse del terremoto del 3 aprile. La sua struttura imponente avrebbe potuto causare danni incalcolabili in caso di crollo. Tuttavia, l'edificio ha resistito una volta di più. L'ingegnere Vitaliani spiega che la presenza della sfera d'acciaio da 660 tonnellate sulla sommità dell'edificio ha contribuito a ridurre le forze indotte dal sisma, creando una controforza con il suo movimento oscillante. Questa innovativa soluzione, progettata in Veneto, ha passato i test condotti dall'ingegnere Vitaliani con successo. Gli isolatori interni sono stati descritti come una vera meraviglia, sottolineando l'efficacia delle tecnologie di sicurezza implementate per proteggere Taipei 101 dalle conseguenze dei terremoti.
Mass damper, la tecnologia che protegge gli edifici dalle vibrazioni
Il mass damper, collaudato dall'ingegnere italiano, come abbiamo anticipato, è il più grande del mondo. Ma di cosa si tratta esattamente? Conosciuti anche come smorzatori a massa accordata o assorbitori armonici, i mass damper sono dispositivi utilizzati per stabilizzare gli edifici e prevenire il loro collasso in presenza di vibrazioni. Composti da blocchi di calcestruzzo sospesi tramite molle, pendoli o liquidi, questi dispositivi sono progettati per resistere a sollecitazioni causate da terremoti, vento, o altre fonti di vibrazioni. Grazie alla loro struttura, sono in grado di ammortizzare l'oscillazione della struttura, da cui deriva il termine "damping". Oltre all'edificio Taipei 101, altri famosi edifici come il Burj al-Arab a Dubai o il London Millennium Bridge fanno uso di mass damper per garantire la loro stabilità.
Il principio alla base del mass damper è stato scoperto nel 1901 da Herman Frahm, ma è stato solo nel 1909 che è stato effettivamente sviluppato quando l'inventore ha creato il primo dispositivo di controllo delle vibrazioni, un TMD (Tuned Mass Dampener), un assorbitore di vibrazioni passivo. Negli anni '70, fu Bill Robinson a introdurre l'uso del mass damper nell'ingegneria antisismica.
Vibrazioni strutturali, come le oscillazioni influenzano gli edifici
Tutte le strutture, indipendentemente dalla loro forma e tipologia, subiscono vibrazioni quando sollecitate. Il termine "oscillare" viene utilizzato per descrivere il movimento del sistema che oscilla rispetto alla sua posizione iniziale o di riposo. È importante considerare che le vibrazioni possono essere sia rapide (ad alta frequenza) che lente (a bassa frequenza). L'entità di queste vibrazioni è determinata principalmente dalla massa (m) e dalla rigidezza (k) del sistema. La rigidezza è una misura dell'abilità del sistema strutturale di resistere alle forze esterne.
Quanto più alta è la rigidezza, tanto meno il sistema subirà spostamenti sotto l'azione di una forza data. Le forze che provocano questi spostamenti sono chiamate forze d'inerzia e si manifestano su ogni massa del sistema quando subisce accelerazioni. Se un edificio è soggetto a forze esterne, come nel caso del terremoto che ha coinvolto il Taipei 101, le masse presenti nell'edificio subiranno oscillazioni. Queste masse interagiscono tra loro poiché sono strutturalmente collegate, generando spostamenti nella stessa direzione (definiti "in fase") o in direzioni opposte (definiti "in controfase"). Le forze d'inerzia risultanti possono avere direzioni concordi o opposte, influenzando significativamente la risposta strutturale complessiva.
Massa accordata, riduzione delle vibrazioni strutturali
Per contrastare gli spostamenti strutturali, è possibile utilizzare una tecnica chiamata "massa accordata". Questo metodo si basa sul movimento in opposizione di alcune masse rispetto alla struttura principale dell'edificio. Ad esempio, la "sfera" impiegata nel caso del Taipei 101 oscilla in senso contrario alla struttura, riducendo così gli effetti di terremoti o altre sollecitazioni. Ciò avviene perché le forze d'inerzia che agiscono sulla sfera sono opposte a quelle che agiscono sull'edificio.
Tuttavia, sebbene in teoria questa tecnica potrebbe eliminare completamente le oscillazioni, nella pratica è impossibile farlo completamente. Pertanto, il criterio progettuale è la massima riduzione degli spostamenti anziché la loro completa eliminazione. In alcuni casi, la massa potrebbe non operare più in controfase con la struttura, ma in fase, aumentando le vibrazioni anziché ridurle. Questo è uno dei motivi per cui questi dispositivi funzionano bene contro le azioni del vento, ma possono essere meno efficaci contro gli eventi sismici, dove la maggiore variabilità delle forze in gioco potrebbe comprometterne il corretto funzionamento.
Sistema di massa accordata, funzionamento e applicazione nel Taipei 101
La massa accordata può assumere qualsiasi forma e materiale ed è collegata alla struttura principale tramite elementi elastici. Questi collegamenti consentono di trasferire continuamente le oscillazioni generate per inerzia sulla massa accordata, riducendo così le azioni esterne, poiché le forze d'inerzia generate hanno direzione opposta rispetto a quelle sulla struttura principale.
Nel caso specifico del Taipei 101, la massa accordata, con un peso di 660 tonnellate, è collegata come un pendolo alla struttura principale. È anche agganciata lateralmente tramite dispositivi idraulici aggiuntivi. Questo sistema offre un duplice effetto di riduzione della risposta strutturale: la massa accordata trasferisce alla struttura sia l'azione prodotta dalla sua inerzia che la dissipazione energetica causata dagli smorzatori idraulici. Inoltre, questi smorzatori fungono da limitatori dello spostamento della massa, prevenendo oscillazioni eccessive che potrebbero compromettere la funzionalità dell'edificio.
Il ruolo vitale dello smorzatore di massa del Taipei 101
Prima del sisma del 3 aprile 2024, il Taipei 101 aveva già dimostrato la sua resilienza durante il tifone Soudelor nell'agosto 2015. In quell'occasione, lo smorzatore di massa del grattacielo registrò la sua oscillazione più ampia, con venti che raggiungevano i 233 km/h. Gli ingegneri della Motioneering riferirono che il pendolo, muovendosi in maniera opposta alle oscillazioni del vento, aveva ridotto il movimento dell'edificio, garantendo così la sicurezza e il comfort degli occupanti nonostante le condizioni meteo avverse. Il sistema di smorzamento era stato precedentemente attivato anche durante il terremoto del Sichuan nel 2008, confermando l'efficacia della tecnologia in situazioni critiche.
Potenziale riduzione delle vibrazioni negli edifici, utilizzo di masse accordabili
All'interno di ogni edificio, gli elementi come mobili, elettrodomestici e altri oggetti possono agire come masse accordabili. Questi elementi hanno il potenziale di attenuare le vibrazioni causate da terremoti o azioni del vento, seguendo lo stesso principio fisico del sistema di massa accordata del Taipei 101. Tuttavia, questi effetti di interazione dinamica sono generalmente trascurati nella progettazione strutturale per motivi di sicurezza e a causa delle incertezze che caratterizzano il fenomeno, rendendolo ingegneristicamente non controllato e non controllabile.
Smorzatori di massa, protezione e attrazione negli skyscraper
Oltre al Taipei 101, numerosi altri grattacieli sono dotati di smorzatori di massa o sistemi simili per limitare le oscillazioni e preservare l'integrità strutturale. Nel caso del Taipei 101, il dispositivo è in grado di spostarsi fino a un metro e mezzo in qualsiasi direzione, riducendo fino al 40% dei movimenti. Tuttavia, la sicurezza ha un costo: la costruzione del mass damper dell'edificio ha comportato una spesa di circa 4 milioni di dollari. Nonostante ciò, la sua eleganza lo ha reso un'attrazione turistica di Taipei, poiché è visibile a tutti i visitatori che prendono l'ascensore fino all'89° piano.