English version below

Il termine “antisismico” è entrato da qualche tempo a far parte del linguaggio corrente dei media: si legge ad esempio che “il 70% degli edifici italiani non è antisismico”; “9 scuole su 10 non sono antisismiche” (si veda ad esempio un recente articolo pubblicato dall’Espresso che fornisce la possibilità di interrogare il database delle scuole italiane, gestito dal MIUR, ottenendo la risposta al quesito se la singola scuola sia o meno antisismica – ne discutiamo più avanti). Il termine, tuttavia, assume differenti significati a seconda di chi lo usa: l’immaginario collettivo lo percepisce, più o meno, come una sorta di sistema binario che si risolve per l’appunto in un sì o un no (antisismico uguale “a prova di terremoto”): l’ingegnere lo intende in un modo un po’ diverso, e preferisce parlare ad esempio di “quanto antisismico”.
Ne discutiamo con Rui Pinho, ingegnere sismico, professore associato all’Università di Pavia, per cinque anni segretario generale dell’iniziativa internazionale GEM (Global Earthquake Model) e che svolge ora l’incarico di Direttore Scientifico della Fondazione Eucentre di Pavia.

I terremoti del 2016 in Appennino Centrale ci hanno lasciato in eredità diverse iniziative che hanno a che vedere con la difesa dai terremoti. Tuttavia, appare sempre più evidente che vi è poca chiarezza – a livello del pubblico – a proposito del livello di sicurezza sismica che un edificio può offrire; inoltre, del come tale livello possa essere aumentato, e a quale prezzo.
Prendiamo ad esempio un edificio nuovo, progettato e realizzato oggi secondo le attuali norme sismiche: lo possiamo definire “antisismico”? quanto è sicuro questo edificio in caso di terremoto? Che cosa può succedere all’edificio stesso e alle persone che si trovano all’interno?

 Si, effettivamente il termine “antisismico” non è dei migliori, poiché può facilmente portare il lettore ad interpretarlo come un’espressione di totale invulnerabilità alla azione sismica, cioè allo scuotimento subito da un edificio durante un terremoto.
In realtà, le moderne norme di progettazione sismica hanno come obbiettivo principale quello di garantire la sicurezza degli occupanti degli edifici sotto un qualsiasi livello di azione sismica, ma non necessariamente quello di impedirne il danneggiamento.
In altre parole, e cercando di rispondere in modo ancora più diretto alle tue domande, un edificio nuovo, progettato e realizzato “bene” secondo le attuali norme sismiche, dovrà essere in grado di garantire l’incolumità fisica dei suoi occupanti, ma potrà subire danni non-strutturali (ad es. tramezzi, impianti, infissi, ecc.) e anche strutturali (ad es. pilastri, travi, pareti in cemento armato, ecc.), soprattutto qualora l’azione sismica a cui viene soggetto sia elevata.

Dunque, un edificio costruito secondo le norme può danneggiarsi, sia pure in modo non elevato. Ma per quale motivo non lo si progetta e non lo si costruisce in modo da non danneggiarsi per nulla in caso di un terremoto molto forte?

Visto che il danneggiamento strutturale e non strutturale (progettato, come detto più sopra) contribuisce alla dissipazione dell’energia sismica (cosi come la deformazione della carrozzeria di un’auto dissipa l’energia di urto), una progettazione che non preveda alcun danneggiamento strutturale (ovvero “in campo elastico” come si dice in gergo) comporterebbe una molto più elevata trasmissione di energia agli occupanti degli edifici (ed agli elementi non-strutturali, come tramezzi, impianti, infissi, arredi, ecc.), aumentando cosi la probabilità che si verifichino ferimenti alle persone e danni alle cose (come succederebbe qualora un’auto che si scontra con un muro avesse una carrozzeria non deformabile).
Ad ogni modo è bene ricordare che le norme sismiche definiscono lo scuotimento minimo da adottare obbligatoriamente nel progetto. Nessuno vieta di costruire con riferimento ad una azione sismica superiore, come si fa ad esempio per le centrali nucleari; questo comporterà ovviamente un aumento del costo della struttura ed allo stesso tempo la riduzione dello spazio utile dell’edifico, visto che i componenti strutturali risulterebbero necessariamente più voluminosi.

Torniamo all’edificio costruito oggi. Fra qualche decina di anni presenterà ancora la stessa resistenza al terremoto?

Anche se la resistenza meccanica dei materiali può subire dei deterioramenti con il passare degli anni, le norme moderne impongono determinate regole di progettazione, di controllo di qualità e di manutenzione del costruito che, se rispettate, consentiranno all’edificio di mantenere nel tempo la sua resistenza sismica.

E se nel frattempo avesse sopportato altre scosse di terremoto?

 Le norme moderne definiscono le soglie di scuotimento oltre le quali il danneggiamento non-strutturale e strutturale è ammesso o meno; pertanto, se le azioni sismiche subite dall’edificio non superano la soglia per la quale il danneggiamento strutturale è ammesso, allora la resistenza sismica dell’edificio rimarrà inalterata.
Se, viceversa, tale soglia viene superata, allora il danneggiamento strutturale (anche lieve e non sempre facilmente identificabile) inevitabilmente causerà un cambiamento, in generale una riduzione, della resistenza sismica dell’edificio, che in tal caso si presenterebbe meno resistente a eventuali altre scosse.

Si può riparare un edificio danneggiato da un terremoto?

Le conoscenze e le tecnologie per riparare edifici danneggiati sismicamente ci sono, e sono state anche ampiamente verificate tramite attività di ricerca numerica e sperimentale. Ci sono a riguardo esplicite prescrizioni in normativa, dettagliate ed autorevoli linee-guida, libri di testo, interi Atti di Convegni dedicati esclusivamente al tema della riparazione sismica, così come imprese edili specializzate su questo tipo di attività.
Di conseguenza, se l’entità del danno subito dall’edificio non è eccessiva (cioè, se non ci sono stati, ad esempio, crolli di interi piani o di intere facciate, oppure rotture a taglio di vari muri portanti, ecc.), allora si può sicuramente riparare l’edifico, ripristinando o addirittura migliorando la sua resistenza sismica. Viceversa, se il danno subito dall’edificio è troppo elevato, fino al collasso di vari elementi strutturali, si dovrà più probabilmente procedere con una demolizione ed eventuale ricostruzione.

 Veniamo ora a un edificio progettato e costruito in assenza di normativa sismica e/o costruito secondo una normativa precedente). Che cosa ci si può attendere?

Teoricamente, un tal edificio non avrà una adeguata resistenza sismica, così come questa viene prescritta dalle normative attuali. Ma non è neanche detto che sia sempre così, perché se la progettazione strutturale originale è stata comunque competente/conservativa, e/o la costruzione è stata attenta e curata, e/o i cambiamenti introdotti dalla nuova normativa non sono particolarmente “penalizzanti” per l’edificio in questione, può anche darsi che quest’ultimo possieda una resistenza sismica soddisfacente. E’ questo il caso, ad esempio, di alcuni edifici in Emilia, in occasione del terremoto del 2012, e di Norcia, nel 2016. Per rispondere alla domanda bisognerà quindi eseguire una valutazione ad-hoc.

In sostanza  sembra di capire che la normativa è diventata sempre più stringente col passare del tempo. Giusto? Ci puoi spiegare meglio?

 Si, è cosi. La ricerca numerica e sperimentale nel campo dell’ingegneria sismica in questi ultimi 50 anni ci ha consentito di sviluppare metodologie e tecnologie che oggi ci consentono di controllare in modo molto più affidabile, e quindi più stringente, il modo in cui gli edifici rispondono ai terremoti. Questo continuo miglioramento delle conoscenze tecnico-scientifiche viaggia di pari passo con una sempre maggiore richiesta della società per la mitigazione delle perdite (umane ed economiche) indotte da eventi sismici, che quindi porta ad un inevitabile e giustificato “inasprimento” delle norme di progettazione sismica. A titolo di esempio, posso citare che soltanto negli ultimi 15 anni circa le normative di progettazione sismica hanno cominciato a dedicare un’esplicita attenzione anche alla mitigazione delle perdite economiche; fino a tal momento il focus era incentrato quasi esclusivamente sulla salvaguardia della vita, mentre la società di oggi richiede un’attenzione esplicita anche al controllo delle conseguenze economiche, che possono essere molto importanti.

 Un aspetto di cui si parla poco ma che sembra avere una importanza rilevante riguarda le modalità di realizzazione dell’edificio. Ossia, un edifico può essere progettato più o meno bene, secondo normative più o meno aggiornate, ma nel corso della sua realizzazione non è detto che tutti i requisiti vengano rispettati. Sbaglio o questa fase è ancora una specie di “buco nero”? Secondo te le cause di alcuni dei crolli clamorosi riscontrati ad esempio a L’Aquila (2009), Norcia e Castelluccio (2016) sono da ricercarsi in questo ambito?

Si, purtroppo è cosi. Di fatto troppe volte, dopo un terremoto, ci troviamo davanti a degli edifici crollati per via di difetti costruttivi (intenzionalmente introdotti per risparmio di costi, o causati da un atteggiamento meno attento o negligente) che risultano di fatto in violazioni dalle prescrizioni progettuali; i terremoti che hai citato non fanno eccezione. Ugualmente grave è il fatto che, in alcuni di questi casi, tali difetti costruttivi erano già stati individuati, le autorità competenti erano già state informate, ma poi nulla è stato fatto a riguardo.

Abbiamo comunque capito che qualsiasi edificio può subire danni, lievi o pesanti, in caso di terremoto e che non esiste l’edificio del tutto “antisismico”. L’interrogazione proposta da L’Espresso, sulla base del database del MIUR, che tra l’altro mette insieme edifici di varia natura, oltre non chiarire i parametri utilizzati per dire che un edificio scolastico è antisismico o meno, semplifica il problema in modo eccessivo?

Si, corretto, tale interrogazione semplifica il problema in un modo eccessivo, che di conseguenza risulta non soltanto poco utile ma anche fuorviante. Mi spiego: in tale interrogazione un edificio (scolastico) viene definito come “sismicamente sicuro” se è stato progettato dopo che le norme entrassero in vigore nella località in cui è stato costruito. Tuttavia, come discusso più sopra, questo dato di per se stesso non è equivalente a sicurezza sismica, poiché bisognerebbe verificare la bontà della progettazione e della costruzione. Viceversa, ci sono edifici progettati prima delle più recenti norme sismiche ma che possono comunque avere adeguata resistenza sismica, o per lo meno un deficit di resistenza meno elevato.

In questo senso anche il titolo “Casa Sicura” della campagna per il cosiddetto “sismabonus”, che tratteremo in una prossima intervista, è uno slogan di impatto ma non del tutto preciso. Giusto?

Si, hai ragione. Io capisco la necessità di trovare slogan d’impatto, e capisco anche che espressioni alternative come “casa meno vulnerabile” o “casa con un rischio minore” difficilmente costituirebbero un motto facile e d’impatto, anche se, di fatto, rappresentino molto meglio quelli che sono i reali obbiettivi di tale campagna. Come minimo, però, io avrei aggiunto l’avverbio “più” tra “casa” e “sicura”, per evitare che l’immaginario collettivo possa essere indotto a pensare a degli edifici mai danneggiabili sotto l’azione sismica, cosa che, come già discusso, non corrisponde alla realtà dei fatti.

Concludendo: non dobbiamo parlare di edifici antisismici ma di edifici più o meno sicuri in caso di terremoto. Che cosa dunque occorre fare per sapere quanto sicuro è un edificio?

E’ così: non esistono “edifici antisismici” in senso letterale, ma edifici con maggiore o minore resistenza all’azione sismica, che di conseguenza possiedono un livello di sicurezza maggiore o minore nei confronti dei terremoti. Gli ingegneri “strutturisti”, cioè ingegneri civili con specializzazione in progettazione strutturale, sono in grado di quantificare tale livello di sicurezza tramite l’applicazione delle procedure prescritte nelle Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC) per la valutazione della resistenza sismica di edifici esistenti; queste procedure sono state da tempo implementate anche in software che consentono l’esecuzione di tali operazioni in tempi relativamente veloci (cioè, in alcune settimane, per edifici di dimensioni contenute), e quindi con costi non necessariamente eccessivi.

La valutazione del livello di sicurezza sismica richiede che venga prima acquisita, tramite apposite indagini in-situ, una conoscenza il più approfondita possibile delle caratteristiche del costruito in esame (ad es. quantitativi di armatura in elementi in cemento armato, collegamenti tra elementi strutturali in muratura, proprietà meccaniche dei materiali di costruzione e del terreno di fondazione, ecc.). Queste indagini hanno naturalmente un costo; nei casi in cui non si riesca, anche per mancanza di risorse, ad acquisire una conoscenza approfondita ed esaustiva delle caratteristiche strutturali dell’edificio, l’ingegnere strutturista dovrà necessariamente seguire una procedura più cautelativa nella valutazione della resistenza sismica del costruito, che potrà portare di conseguenza all’assegnazione di un livello di sicurezza sismica inferiore a quello reale.

Riassumendo:

• un edificio “antisismico” è un edificio che non crolla in occasione di un terremoto forte, anche se si può deformare, e quindi danneggiare, per garantire la salvezza degli abitanti;
• la resistenza di un edificio al terremoto dipende da un certo numero di fattori che includono le modalità di progettazione e di costruzione;
• non esistono edifici sicuri al 100% ma edifici più o m sicuri in caso di terremoto.
• è possibile valutare il livello di sicurezza dell’edifici, e, se necessario, aumentarlo.

 

English version

What does “anti-seismic” mean? Interview with Rui Pinho

The word “anti-seismic” has for some time been part of the current language of the media: for example, “70% of Italian buildings are not anti-seismic”; “9 schools out of 10 are not anti-seismic” (see, for example, a recent article published by the L’Espresso newspaper that provides the possibility to query an Italian schools database, prepared by the Italian Ministry of Research and Education (MIUR), in order to see if a given single school is “anti-seismic” or not – we will discuss it further later on).
The term, however, has different meanings depending on who uses it: the collective imaginary perceives it more or less as a sort of binary system that yields a ‘yes’ or ‘no’ answer (i.e. anti-seismic equals to “fully earthquake proof”): the engineer understands it in a somewhat different way, preferring to discuss instead of “level of seismic resistance”.
We discuss it here with Rui Pinho, earthquake engineer, associate professor at the University of Pavia, for five years also general-secretary of the Global Earthquake Model (GEM) initiative and now serving also as director of science at the Eucentre Foundation in Pavia.

 The 2016 earthquakes in the Central Apennines gave rise to various initiatives that have to do with earthquake protection. However, it is increasingly evident that there is little clarity – at the public level – about the level of seismic safety a building can offer; and also, how such level may be increased, and at what price.
Take for example a new building, designed and built today according to current seismic standards: can we define it as “anti-seismic”? How safe is this building in case of an earthquake? What can happen to the building itself and to the people inside it?

Yes, indeed, the term “anti-seismic” is not particularly ideal, since it can easily lead the reader to interpret it as an expression of total invulnerability to seismic action, that is, to the shaking of a building during an earthquake.
In reality, however, modern seismic design rules have as their main objective that of ensuring the safety of occupants of buildings under any level of seismic action, but not necessarily to prevent damage.
In other words, and trying to answer even more directly to your questions, a new building, designed and built “well” according to current seismic standards, will have to be able to guarantee the physical safety of its occupants, but may suffer damage to non-structural components (e.g. partitions, pipings, doors/windows, etc.) and also to structural elements (e.g. columns, beams, reinforced concrete walls, etc.), especially if the seismic action to which it is subject is high.

Therefore, a building constructed according to seismic norms can be damaged, albeit not so highly. But why not design it and build it so that it does not get damaged in the event of a very strong earthquake?

Since structural and non-structural damage (designed, as mentioned above) contributes to the dissipation of seismic energy (in the same way as the deformation of a car’s frame dissipates the impact energy from a car crash), a design that does not involve any structural damage (i.e. “in the elastic range” as often referred to in technical jargon) would entail a much higher energy transmission to occupants of buildings (and to non-structural elements such as partitions, pipings, doors/windows, furniture, etc.), thus increasing the probability of injury to the occupants and damage to contents (as would be the case if a car that collides against a wall had a non-deformable frame or bodywork).
Nonetheless, it is pertinent to also recall that seismic design codes typically prescribe minimum levels of seismic action to design against. No one forbids designing a building with reference to a higher seismic action, such as for nuclear power plants; this will of course result in an increase in the cost of the structure and at the same time the reduction of the useful space of the building, as the structural elements will necessarily be more voluminous.

Let’s go back to the building built today. In a few decades will it still have the same resistance to the earthquake?

Although the mechanical strength of the materials may suffer deterioration over the years, modern design codes impose design, quality control and maintenance requirements that, if respected, will allow the building to maintain its seismic resistance.

And if in the meantime it would endure other earthquake shakes?

Modern seismic design codes define shaking thresholds beyond which non-structural and structural damage is allowed or not; therefore, if the seismic action imposed on the building does not exceed the threshold for which structural damage is allowed then the seismic resistance of the building will remain unaltered.
If, however, this threshold is exceeded, then structural damage (even mild and not always easily identifiable) will inevitably cause a change, in general a reduction, of the building’s seismic strength, which would in that case be less resistant to subsequent earthquakes.

Can you repair a building damaged by an earthquake?

The knowledge and technology to repair seismically damaged buildings do exist, and have also been extensively verified through numerical and experimental research. There are explicit code prescriptions, detailed and authoritative guidelines, textbooks, entire Conferences dedicated exclusively to the theme of seismic repair, as well as construction companies specialising in this type of activity.
Consequently, if the amount of damage suffered by the building is not excessive (i.e., if there have not been, for example, complete collapses of floors or façades, or shear failure of various supporting walls, etc.) then you can definitely repair the building, restoring or even improving its seismic resistance. Conversely, if the damage to the building is too high, leading to the collapse of several of its structural elements, then it is likely that proceeding with demolition and possible reconstruction will be more opportune.

What about a building designed and constructed in the absence of seismic regulations and/or constructed according to previous outdated design codes. What can you expect?

Theoretically, such a building will not have adequate seismic resistance, as it prescribed by current regulations. However this will not necessarily always be the case, because if the original structural design was nonetheless competent/conservative, and/or the construction was scrupulous and meticulous, and/or the changes introduced by the new seismic regulations are not particularly “penalising” for the building in question, it may also be that the latter possesses a satisfactory seismic resistance (this was the case, for example, of some buildings in Emilia, during the 2012 earthquake and in Norcia, in 2016). Hence, in order to be able to answer the question, an ad-hoc evaluation of the buildings actual seismic resistance will need to be carried out.

Basically, I seem to understand that seismic regulations have become more and more stringent over time. Right? Can you explain me better?

Yes, correct. Numerical and experimental research in the field of earthquake engineering over the last 50 years has allowed us to develop methodologies and technologies that today allow us to control in a much more reliable and therefore more stringent way the manner in which buildings respond to earthquakes . This continuous improvement of technical and scientific knowledge goes hand in hand with a growing demand from society to mitigate losses (human and economic) induced by seismic events, which leads to an inevitable and justified “tightening” of the seismic design rules. By way of example, I can mention that only in the last 15 years seismic design regulations have begun to pay special attention to the mitigation of economic losses; up until then the focus was almost exclusively on safeguarding life, while today’s society also calls for explicit attention to the control of economic consequences, which can be very important.

One aspect that is not much spoken about but which seems to have a significant importance is the way the structures are built. That is, a building can be designed more or less well, according to more or less up-to-date regulations, but in the course of its construction it is not guaranteed that all requirements are being respected. Am I wrong or is this still a kind of “black hole”? In your opinion, the causes of some of the clamorous collapses found in L’Aquila (2009), Norcia and Castelluccio (2016) could belong to such a context?

Yes, unfortunately this is indeed the case. In fact, after an earthquake, we are too often faced with buildings that have collapsed due to constructive defects (intentionally introduced for cost savings, or caused by a less attentive or negligent attitude by the contractor) that are in fact in violation of the design requirements; the earthquakes you mentioned are no exception. Equally serious is the fact that, in some of these cases, such constructive defects had already been identified, the competent authorities had already been informed, but nothing was done about it.

We have thus understood that any building may suffer slight or heavy damage, in the event of an earthquake and that there is no completely “anti-seismic” building. The query proposed by the L’Espresso newspaper, based on the database of the MIUR, which puts together buildings of various nature and does not clarify the parameters used to say that a school building is anti-seismic or not, simplifies the problem in an excessive manner?

Yes, correct, such query simplifies the problem in an excessive way, which therefore renders it not only unhelpful but also misleading. Let me explain: in such a query, a (school) building is termed “seismically safe” if it was designed after the seismic design code came into force in the location where it was built. However, as discussed above, this detail is not in itself equivalent to seismic safety, as it is necessary to check the goodness of design and of the construction. Conversely, there are buildings designed before the release of the most recent seismic design codes but which, however, may still have adequate seismic resistance, or at least a lower seismic resistance deficit.

In this sense also the title “Safe Home” of the campaign for the so-called “seismic bonus” (“sismabonus” in Italian), which we will discuss in a forthcoming interview, is a slogan of impact but not entirely accurate. Right?

Yes, you are perfectly right. I understand the need to find slogans of impact, and I also understand that alternative expressions such as “less vulnerable home” or “home with less risk” would hardly classify as easy and impact slogans, although in fact they do represent much better the actual goals of such campaign. At least, however, I would have included the adverb “more” in between “home” and “safe” to prevent the collective imagination from being led to think of buildings that would never be damaged under seismic action, which, as already discussed, does not correspond to the reality of the facts.

Concluding: we must not speak of anti-seismic buildings but of more or less secure buildings in the event of an earthquake. So what needs to be done to know how secure a building is?

• Yes, correct again: there are indeed no “anti-seismic buildings” in the literal sense, but buildings with greater or lesser resistance to seismic action, which consequently provide a higher or lower level of safety against earthquakes. “Structural engineers”, i.e. civil engineers with specialisation in structural design, are able to quantify such level of seismic safety by applying the procedures prescribed in the Italian Design Code (NTC) for the seismic assessment of existing buildings; these procedures have also long been implemented in software that allow these structural assessment activities to be carried out in relatively quickly fashion (i.e., in a few weeks, for small size buildings), and hence at not necessarily excessive costs.
  The assessment of the seismic safety level requires that, through in-situ investigations, an as thoroughly as possible ascertaining of the characteristics of the building (e.g., the quantity of reinforcement in reinforced concrete structures, the links between structural elements in masonry houses, the mechanical properties of building materials and of foundation soil, etc.). These surveys naturally have a cost; in cases where, due to lack of resources, it is not possible to acquire a thorough and exhaustive knowledge of the structural features of the building in question, the structural engineer will need to follow a more cautious procedure in assessing the seismic resistance of the building, which can lead, as a result, to the allocation of a lower than real seismic safety level.

 

• In summary:• an “anti-seismic” building is in reality a building that does not collapse in the event of a strong earthquake, even if it can be damaged, in order to guarantee the safety of its occupants;
  • the seismic resistance of an earthquake building depends on a number of factors, including design and construction modalities;
  • there are no 100% safe buildings but rather more or less safe buildings in the event of an earthquake.
  • it is possible to evaluate the seismic safety level of a building, and if necessary increase it.