Perché un edificio in acciaio offre prestazioni superiori rispetto a uno in calcestruzzo in termini di resistenza sismica e capacità di sopportare i carichi del vento?

Le persone spesso assumono che il calcestruzzo significhi resistenza. Sembra solido, appare immobile e, in una giornata tranquilla, sembra la cosa più sicura accanto alla quale ci si possa trovare. Ma nel momento in cui si sottopone una struttura in calcestruzzo a un terremoto o a un uragano, si comincia a capire dove questa logica crolla. Una costruzione in acciaio non sopravvive a tali condizioni solo sulla carta. Il motivo per cui funziona meglio in eventi estremi reali risiede in alcuni comportamenti fisici che sono difficili da notare finché non si osservano entrambi i materiali sottoposti a una sollecitazione seria.

Come l'acciaio gestisce il moto del terreno muovendosi insieme ad esso

Pensi a ciò che accade quando il terreno trema. Se si costruisce qualcosa di estremamente rigido e inflessibile, non esiste alcun modo per dissipare l’energia che proviene dalle fondazioni. Ogni crepa e ogni scossa viaggia direttamente verso l’alto attraverso la struttura fino a quando qualcosa non cede. L’acciaio si comporta in modo diverso perché possiede duttilità, una proprietà che gli consente di allungarsi, piegarsi e deformarsi leggermente prima di cedere. Ciò significa che, durante un evento sismico, una struttura in acciaio assorbe energia deformandosi elasticamente, anziché frantumandosi. Il calcestruzzo è resistente a compressione, ma è fragile: sotto lo stesso tipo di scuotimento tende a creparsi e a sfaldarsi, esponendo così l’armatura e innescando una catena di danni molto più difficile da arrestare.

Un altro dettaglio fondamentale riguarda il modo in cui le forze si propagano attraverso una struttura in acciaio. I collegamenti tra travi e pilastri sono spesso realizzati mediante saldatura o bullonatura in modo da consentire una leggera rotazione senza perdere la stabilità complessiva. Questi giunti agiscono quasi come cerniere, alleviando le sollecitazioni locali anziché concentrarle. In un telaio in calcestruzzo a nodi rigidi, i giunti sono monolitici, quindi le sollecitazioni continuano ad accumularsi fino a quando la sezione non raggiunge il proprio limite. Questa è la differenza tra un telaio che 'danza' con il terreno e uno che 'lotta' contro di esso.

Il ruolo del peso quando soffia il vento

Il carico del vento non riguarda soltanto l’intensità con cui l’aria spinge. Riguarda anche la massa dell’edificio e il modo in cui tale massa interagisce con la forza laterale. Una struttura più pesante possiede maggiore inerzia e, quando colpisce una raffica, tale inerzia mantiene l’edificio in movimento nella direzione in cui il vento lo spinge, il che può amplificare l’oscillazione qualora lo smorzamento non sia sufficiente. Un edificio in acciaio è più leggero di uno equivalente in calcestruzzo, il che in realtà risulta vantaggioso in condizioni di vento intenso. Una minore massa comporta un minore impulso non appena il vento inizia ad agire sulla facciata. Combinando ciò alla rigidezza ottenibile con un telaio in acciaio adeguatamente controventato, l’edificio tende a deformarsi complessivamente meno e a ritornare alla posizione centrale più rapidamente.

Il calcestruzzo è pesante. Questa massa aiuta in alcuni casi, ad esempio nella resistenza al sollevamento, ma quando il vento soffia a 150 miglia orarie, lo stesso peso diventa un problema. Una struttura in calcestruzzo può sviluppare spostamenti fastidiosi e fenomeni di risonanza se non è perfettamente tarata. L’acciaio offre maggiore flessibilità per irrigidire la struttura nei punti necessari, aggiungere elementi di controventatura e regolare la risposta dinamica senza dover contrastare il peso morto.

Perché i materiali fragili presentano difficoltà in entrambi gli scenari

Per capire perché un edificio in acciaio offre prestazioni superiori rispetto a uno in calcestruzzo, è necessario esaminare le modalità di rottura. L'acciaio, di norma, fornisce un segnale di avvertimento prima del cedimento: si osservano deformazioni, si sentono rumori e si ha quindi tempo per reagire. Il calcestruzzo, invece, cede improvvisamente: una volta che una fessura si propaga attraverso una sezione critica, l’intero elemento può perdere quasi istantaneamente la propria capacità portante. Durante un terremoto, questa differenza assume un’importanza enorme. Una struttura intelaiata in acciaio potrebbe inclinarsi o subire spostamenti laterali, ma rimane in piedi abbastanza a lungo da consentire l’evacuazione delle persone. Una parete di taglio in calcestruzzo che si fessura completamente perde gran parte della propria resistenza al taglio in quel preciso istante, e l’edificio può subire un collasso parziale senza alcun preavviso significativo.

Lo stesso vale per gli eventi ventosi. Le raffiche di vento sono ripetitive: colpiscono ripetutamente un edificio. L'acciaio può sopportare milioni di cicli di carico senza subire rottura per fatica, poiché i livelli di sollecitazione rimangono al di sotto del limite di resistenza a fatica. Il calcestruzzo, in particolare quando presenta microfessure causate da sollecitazioni precedenti, può degradarsi nel tempo sotto l’azione ripetuta dei cicli di vento. Ciò che inizia come una fessura capillare diventa un percorso per l’acqua, quindi inizia la corrosione e, alla fine, si perde sezione. I danni sono cumulativi in un modo che rende difficile sia l’ispezione sia la riparazione.

Come le strutture in acciaio smorzano naturalmente l’energia

C'è qualcosa nel modo in cui viene assemblato un edificio in acciaio che ne determina un'attenuazione intrinseca. I collegamenti bullonati presentano una piccola quantità di attrito. Le controventature sono costituite da elementi che vanno in trazione e compressione, e ogni ciclo dissipa una piccola quantità di energia attraverso l'isteresi. Nulla di ciò è particolarmente rilevante di per sé, ma l'effetto complessivo si accumula. Quando si verifica un terremoto, quell'energia deve andare da qualche parte. In una struttura in calcestruzzo, gran parte dell'energia provoca la formazione di fessure nel materiale, causando danni permanenti. In un edificio in acciaio, una percentuale maggiore di tale energia viene dissipata direttamente dal sistema strutturale stesso, cosicché la struttura subisce un danno cumulativo minore.

Anche il vento si comporta in modo simile. Le raffiche caricano e scaricano il rivestimento, e tale energia si trasmette attraverso i girts e i purlins fino al telaio principale. Una struttura in acciaio con controventature progettate correttamente trasforma questo fenomeno in un ciclo ripetuto a basso livello di sollecitazione, che il materiale sopporta naturalmente. Gli elementi in calcestruzzo, in particolare quelli sottili, non tollerano bene i carichi laterali ripetuti. Il legame tra armatura e calcestruzzo si degrada progressivamente e la rigidezza della sezione varia nel corso degli anni.

Il vantaggio della flessibilità nella progettazione e nei dettagli dei collegamenti

Una differenza pratica consiste nella facilità con cui è possibile aggiungere elementi specifici per la resistenza ai terremoti o al vento a una struttura in acciaio. È possibile progettare una configurazione di controventatura per la precisa direzione del vento rilevante per il vostro sito. Si possono installare telai a nodi rigidi in una direzione e campate controventate in un’altra. È possibile utilizzare isolatori alla base insieme a una struttura portante in acciaio ottenendo ottimi risultati, poiché il ridotto peso consente agli isolatori di funzionare in modo efficiente. Il calcestruzzo tende a vincolare il progettista a un numero limitato di sistemi resistenti alle forze orizzontali, e le successive modifiche risultano complesse e costose. Negli edifici in acciaio, i dettagli dei collegamenti sono standardizzati e possono essere verificati mediante calcoli semplici e diretti. Ciò significa che il progetto può essere tarato con maggiore precisione sul livello effettivo di pericolosità, rendendo l’edificio sia più sicuro sia più economico.

Cosa significa questo per i proprietari nelle zone sismiche e soggette a vento

Se state valutando la costruzione di un edificio in una zona in cui terremoti o venti intensi rappresentano una preoccupazione frequente, la scelta del materiale strutturale non è una decisione di poco conto. Una struttura in acciaio offre un sistema prevedibile, duttile e leggero, in grado di sopportare carichi laterali senza accumulare danni nascosti. Le riparazioni tendono a essere più semplici, poiché è possibile sostituire o rinforzare singoli elementi senza dover demolire ampie sezioni di calcestruzzo. Inoltre, il comportamento a lungo termine, specialmente sotto carichi ripetuti, è più coerente.

Ciò non significa che il calcestruzzo non abbia alcun ruolo. Tuttavia, quando la domanda riguarda specificamente le prestazioni in scenari di carico sismico e vento, le evidenze indicano chiaramente una preferenza per l’acciaio. Minor massa, maggiore duttilità, connessioni più resistenti e un meccanismo di rottura che fornisce un segnale di avvertimento anziché una sorpresa improvvisa. Questa combinazione è difficile da eguagliare ed è la ragione per cui molti progetti realizzati in zone ad alto rischio si basano ormai per default su strutture in acciaio come struttura principale.