Il carico sismico è uno dei concetti fondamentali dell'ingegneria sismica e indica l'insieme delle azioni che un terremoto trasferisce a una struttura edilizia o al suo modello. Si manifesta come sollecitazione sulle superfici di contatto della struttura con il suolo, con le strutture adiacenti e, se rilevante, con le onde di gravità generate da uno tsunami. In campo ingegneristico il carico sismico viene descritto sia in termini di eccitazione del moto del terreno (accelerogrammi) sia in termini di forze equivalenti applicate alla massa della struttura.

Fattori che influenzano il carico sismico

  • Caratteristiche del terremoto: intensità, durata, contenuto in frequenza (spettri di risposta) e la componente orizzontale/verticale del moto sismico nel sito considerato.
  • Proprietà geotecniche del sito: tipo di suolo, profondità del livello rigido, presenza di strati morbidi che amplificano il moto; condizioni di falda che possono generare effetti di liquefazione.
  • Parametri della struttura: massa, rigidezza, smorzamento, altezza, regolarità planimetrica e altimetrica, dettagli costruttivi e collegamenti tra elementi.
  • Interazione terreno-struttura: vincoli del piano di fondazione, scarpate, presenza di pali o fondazioni profonde che modificano la risposta.
  • Eventi concomitanti: onde di tsunami o carichi idrodinamici che possono aggiungersi alle azioni sismiche sulla struttura costiera.

Come si rappresenta e si calcola

Il carico sismico non è una forza statica prefissata ma il risultato di un moto imposto: le masse della struttura tendono a mantenere lo stato di quiete e quindi si generano forze d'inercia proporzionali all'accelerazione. In forma elementare, per una massa m e un'accelerazione a, la forza sismica è F = m·a.

I metodi di calcolo più usati sono:

  • Metodo equivalente statico: si calcola una forza orizzontale totale (shear di base) distribuita secondo il modo semplificato (adatto a edifici bassi/medi e per verifiche preliminari).
  • Analisi agli spettri di risposta: si usa lo spettro di progetto per ottenere l'azione sismica su ciascun modo di vibrazione e combinare le risposte modali (SRSS, CQC, ecc.).
  • Analisi dinamica non lineare (time-history): si applicano accelerogrammi di progetto e si valuta la risposta tempo-dipendente della struttura, necessaria per studi avanzati e per strutture critiche.

Parametri e termini comunemente usati

  • PGA (Peak Ground Acceleration): accelerazione massima di picco del terreno.
  • Spettro di risposta: curva che fornisce l'accelerazione (o spostamento) massima attesa in funzione del periodo della struttura.
  • Smorzamento: influenza sulla risposta dinamica; valori maggiori riducono le ampiezze di vibrazione.
  • Forza di base (base shear): risultante orizzontale alla base dell'edificio usata nei calcoli statici equivalenti.

Effetti sulle strutture e prestazioni

Il carico sismico può provocare danni che vanno da fessurazioni e danni locali fino al collasso parziale o totale. Le prestazioni sismiche desiderate di una struttura sono definite tramite obiettivi di prestazione (ad es. Immediate Occupancy, Life Safety, Collapse Prevention) che stabiliscono limiti di danno accettabili per scenari e probabilità di evento diversi. La progettazione mira a bilanciare resistenza, duttilità e capacità dissipativa affinché la struttura possa sopportare il carico sismico previsto senza collassare.

Strategie di riduzione del rischio

  • Progettazione antisismica: dettagli costruttivi per garantire duttilità, collegamenti resistenti e percorso di trasferimento delle forze.
  • Isolamento alla base: dispositivi che decouplano la struttura dal moto del terreno abbassando le accelerazioni trasferite.
  • Smorzatori ed energy dissipators: dispositivi che assorbono energia e riducono le sollecitazioni sugli elementi strutturali.
  • Miglioramento del terreno: compattazione, colonne di ghiaia o iniezioni per ridurre amplificazioni locali e rischi di liquefazione.
  • Manutenzione e adeguamento sismico: rinforzo delle strutture esistenti per rispettare i requisiti normativi attuali.

Considerazioni pratiche per progettisti e cittadini

Per il progettista è fondamentale conoscere il livello di rischio sismico del sito, applicare gli spettri di progetto previsti dalle normative vigenti e scegliere il metodo di analisi appropriato alla complessità della struttura. Per i cittadini, l'informazione su come il tipo di suolo, l'età dell'edificio e le tecniche costruttive influenzino la vulnerabilità è utile per prendere decisioni su acquisti, manutenzione e adeguamenti sismici.

In sintesi, il carico sismico è il risultato di molteplici fattori fisici e geometrici che determinano come una struttura risponderà a un terremoto. Una corretta valutazione e una progettazione mirata permettono di contenere il rischio, ridurre i danni e proteggere vite umane.