Il problema della sicurezza sismica delle scuole è molto grande, in Italia come in altri paesi. Periodicamente si leggono sui media rapporti più o meno generali, ma sempre abbastanza negativi, sullo stato delle scuole in Italia. A volte il problema finisce davanti al giudice, nelle cui sentenze si discetta di “indice di sicurezza”, di probabilità di accadimento di terremoti e anche della loro prevedibilità.
Per cercare di fare il punto sulla questione, a beneficio dei non-ingegneri, abbiamo rivolto alcune domande a Edoardo Cosenza, professore di Tecnica delle Costruzioni nell’Università di Napoli Federico II, membro di numerosi Comitati che operano per la definizione delle normative e che è stato anche Assessore ai Lavori Pubblici della Regione Campania (https://www.docenti.unina.it/webdocenti-be/allegati/contenuti/1440218).
Da qualche tempo è molto attivo sui “social”, dove contribuisce egregiamente alla spiegazione degli aspetti ingegneristici ai non informati.
(Nota: le domande sono state formulate con la collaborazione di Carlo Fontana).

Il problema della sicurezza sismica delle scuole è molto sentito in Italia, forse anche a seguito del crollo della scuola di San Giuliano di Puglia nel quale, nel 2002, morirono 26 fra studenti e insegnanti. La situazione è davvero grave, nel suo complesso? Quali sono le ragioni? Continua a leggere →

…..This comparison with medicine fits very well, there are really many similarities between the work of the technician who has to understand what to do with an existing building and that of the doctor who tries to make a diagnosis and to find a correct therapy for a patient…..

versione italiana qui: Gli edifici in muratura alla prova dei terremoti italiani (colloquio con Guido Magenes)

Guido Magenes is Professor of Structural Engineering at the University of Pavia and IUSS Pavia. He is also the coordinator of the Masonry Structures division of the EUCENTRE Foundation. His area of ​​greatest competence is the seismic behavior of masonry buildings and for this reason he has also participated and still participates in numerous Italian and European technical-regulatory committees.
We discussed with him the behavior of masonry buildings in Italy, with particular reference to what happened during the last earthquakes.

1. The earthquakes of 2016 have determined a sequence of shaking that has put a strain on the buildings of the affected area, especially those in masonry. The effects seen in the field are very different: next to the buildings already heavily damaged by the earthquake of August 24^th, there are others that have seen their condition worsen after the shock in October, and others that seem not to have suffered serious damage in all the sequence. Do you have an explanation for this?

 The masonry buildings stock in our country has very variable characteristics and qualities, depending on the era of construction, the materials and construction criteria that were used, the type and architectural form (ordinary buildings or churches, palaces, towers, etc … ), any maintenance and reinforcement or tampering and weakening processes that may have occurred over time. Certainly there are recurrent types of problems, but the diversity of the behavior of masonry buildings, apart from the severity of the shaking (or the different ground motion in the various sites), is  essentially due to this great variability.
Therefore, in the specific case of the seismic sequence of central Italy, which involved a very large area and a considerable variety of buildings, we observed what you say: from the recently built building, of a few storeys, in great part or fully compliant with the modern design and construction criteria, which did not show significant damage, to historic buildings with large spans and heights, such as churches, which tend to be more vulnerable and have therefore suffered great damage and collapse because of their dimensions, geometric ratios and their structural organization. In many if not most cases, also the poor quality of the materials has further worsened the situation.

2. In all the municipalities affected, seismic regulations were in force, with various years of enforcement (the extremes are represented by Amatrice and Accumoli, 1927, and Arquata del Tronto, 1984). The distribution of the damage does not seem to be influenced by these differences; is there a reason?Not all regulations are equally effective: a 1927 standard is obviously very different, under many points of view, from a rule of the 1980s or the years 2000s and, as I mentioned above, the buildings built in compliance with the latest rules behaved generally well (constructed with artificial blocks and mortars of good strength, or even stone buildings demolished and rebuilt with good quality mortars). Therefore, I would not say that the distribution of damage is not at all influenced by the regulatory context. It depends on what was written in the norm and how many buildings were built or repaired or reinforced after the introduction of the norm (in the affected centers a significant percentage of the buildings had been built before the seismic regulations that you mentioned).

The rules and design criteria are not necessarily born perfect and they have to adjust, to evolve based on the experience of earthquakes. For example, it is only fifteen or twenty years that we began to recognize that certain types of interventions proposed and widely applied after the earthquakes of Friuli and Basilicata can be harmful or plainly ineffective (think of the infamous reinforced concrete ring beams “in breccia” inserted at intermediate floors in an existing building in stone masonry: in Umbria-Marche ’97 we have begun to see its shortcomings).
In the areas in which the presence of a regulation or a seismic classification seems to have had no effect, it must also be taken into account that the on-site control of the quality of construction and execution, in particular for masonry buildings, were inexistent or ineffective at least until the more recent regulations. The use of a very bad mortar is a recurrent element in many of the old masonry buildings collapsed or damaged in the last seismic sequence. In centers like Accumoli and Amatrice it seems that even where interventions had been carried out on buildings, replacing old floors, for example, or inserting some ties, the problem of poor quality of the masonry had been greatly overlooked, ultimately making the interventions ineffective. We can add that a large part of those areas suffered a considerable depopulation since the early 1900s, with inevitable consequences on the maintenance of buildings, which has led to an increase in widespread vulnerability.

Then there are some particular cases in which historical norms and more recent norms seem to have had a positive effect. Take Norcia’s example: without going into the details of the measurements of the characteristics of the ground motion, it is a fact that Norcia in the last sequence suffered strong shaking, comparable to those of Amatrice and Accumoli but with a much lower damage to buildings. In the history of Norcia there were two very significant events that may have affected  the response of the buildings in the 2016 sequence, one before and one following the 1962 regulations. In 1859 a strong earthquake caused numerous collapses and victims in some areas of the historical center, and following this the Papal State issued a quite effective regulation that gave a series of provisions for repairs and reconstructions: on geometry, in particular on the maximum height of the buildings (two floors), on the construction details, on the quality of materials. Then, in 1979 there was another earthquake in Valnerina, after which other parts of the historic center were damaged, followed by a series of systematic reinforcement measures on many buildings. In many of these buildings the reinforcement of the vertical walls (even with the controversial technique of the reinforced plaster) has remedied one of the main elements of vulnerability, i.e. the weakness/poor quality of the masonry walls. If for a moment we leave aside the elements that can go against the use of reinforced plaster (such as the durability of the intervention), and we see it simply as a technique that has remedied a factor of great vulnerability, we can say that for Norcia there has been a positive combined effect of pre-modern and more recent regional regulations, stemming from the direct experience of seismic events.

3. Let’s  talk about seismic regulations and in particular of their engineering aspects. We hear that they have changed a lot over time, and that perhaps the non-recent ones were not entirely effective. Is it true, and if so why?

As for the engineering component of the regulation, what we now know about the structural and seismic behavior of buildings, in masonry and other structural systems, is the result of a continuous evolution through the experience of earthquakes in Italy and in other parts of the world. In Italy the engineering study of masonry buildings has resumed life, after decades of almost total abandonment, after the 1976 earthquake in Friuli. The first norms/codes that give indications on how to “calculate” a masonry building in Italy date back to the early 80s (to “calculate” I mean “quantitatively assess the level of safety”). Although “calculation” is not the only component of the design, this fact gives the idea of ​​how only the very recent rules have a technical-scientific basis aligned with current knowledge. I would like to say that the absence of calculation in a project does not necessarily imply that the building is unsafe: in the past we followed geometric and constructive rules of an empirical type, based on the experience and intuition of the mechanical behavior, although not explicated in detailed calculations. Even today, for the design of a simple and regular masonry building, it is possible to follow codified geometrical and constructive rules that avoid detailed or complex calculations, but still achieve an adequate level of safety.
The experience of the earthquakes of Irpinia, Umbria-Marche, until the most recent in central Italy, have been a continuous test and a source of knowledge. For example, as mentioned in my answer to the previous question, the Umbria-Marche 1997 earthquake, besides highlighting the great vulnerability of churches and of certain historical structures, has been an important test for strengthening criteria and techniques on masonry buildings that were proposed and developed following the Italian earthquakes of the late ’70s, showing how some techniques are not very effective or can even be harmful if applied indiscriminately and without awareness

To conclude my answer with my opinion on current technical standards, I think that as regards the design of new buildings we are really at a very advanced state of progress, which effectively attains the levels of safety that today are considered adequate. I think there are more uncertainties on the assessment and strengthening of existing buildings, even if it is not so much a regulatory problem but rather of scientific knowledge and of the correct identification of strategies and techniques for the intervention. It is certainly easier to design and build a seismic-resistant building from scratch, than to assess and intervene on an existing building.

4. How much – and how – does the construction and detailing of a building affect its seismic safety, beyond the design?

The question gives me the opportunity to dwell a little more on what is meant by “design”, which is something different from the mere “calculation”. The design includes all aspects of overall conception, choice and organization of the structure, choice of materials and construction techniques (with the awareness of how they can and should be executed in situ), performance verification calculations in terms of safety against collapse and of satisfactory behavior in normal operation, prescriptions on construction details. In modern seismic design it is also necessary to take into account, when relevant, the seismic response of the non-structural parts of the construction. There must also be a check that what is prescribed in the design is actually implemented during construction.

The calculation is therefore only a component of the design. It is interesting to note that most of the existing masonry buildings were not calculated, at least as we understand structural calculations now. The first Italian national technical standard on masonry constructions with a sufficiently detailed description of the calculations for the structural verification dates back to 1987. Technical standards with indications for the seismic calculation, were issued after the earthquake of Friuli 1976 and in subsequent times. Before those norms, a technical literature and manuals existed, with reference to the principles of mechanics, as well as a building tradition. I would like to clarify that here I am talking about regulations/norms that tell how to calculate the resistance of a masonry building, subject to seismic or non-seismic actions. Just to give an example, the Royal Decree of 1909 (post earthquake of Messina), a historical milestone as regards seismic regulations, gives criteria to define the seismic action, gives constructive and geometric rules but does not tell how to calculate the resistance (the capacity, according to the modern technical language) of a masonry building.

The constructive tradition based on the respect of the “rule of art” always had in mind the importance of construction details, of the quality of the materials, of how the building is built, and this has allowed and allows well-constructed buildings (but not “calculated”, i.e. non-engineered) to withstand even very violent seismic shocks. In modern buildings, the compliance during construction site of the execution rules, the control of the quality of the materials, is equally important, although this holds for masonry as for the other types of construction. The sensitivity of the structure to constructional defects is a function of the level of robustness of the structural system. A masonry box-like construction, strongly hyperstatic (i.e. where the number of resistant elements is higher than the minimum necessary to ensure equilibrium under the applied loads) could in principle be less sensitive to construction defects than an isostatic prefabricated structure (i.e. where the number of resistant elements is just equal to the minimum necessary to ensure equilibrium under the applied loads, so that the failure of a single element is sufficient to generate a collapse). Obviously we are talking about local defects and not generalized over the whole construction. If all materials are poor quality throughout the construction, then it is a great problem, but not necessarily a masonry building is more sensitive to such problem than, say, a reinforced concrete frame, in which also defects in the reinforcement detailing are possible (for instance in beam-column joints or in lap splices or in anchorage of rebars and so forth).

5. Many surveyors in post-earthquake reconnaissance activities have found traces of interventions that have allegedly weakened the structures. Do you agree?

In post-earthquake surveys, carried out quickly in emergency conditions, it is not always possible to clearly understand the history of the building and what changes have been made, in what time and modalities, but sometimes it is clear that some modifications to the construction have been detrimental to safety. Often these are interventions that were made with total unawareness of the effects on structural safety and purely for the purpose of use and redistribution of space. In other cases, more rare, there are also interventions made with “structural” purposes, perhaps even with the idea of ​​achieving an increase in safety, but which in reality were harmful or ineffective. A classic example, often discussed in the literature also on the basis of the Italian post-earthquake recognitions from Umbria-Marche 1997 onwards, is the insertion of new, rigid and heavy structural elements (such as the replacement of a wooden floor with a reinforced concrete floor) in a building with very weak masonry (for example masonry made of irregular stones with poor mortar), without the masonry being properly consolidated. There was a period, following the earthquakes of Friuli and Irpinia, where much emphasis was given to the fact that rigid diaphragms (i.e. the floors and roofs) increase the hyperstaticity, hence the robustness of the construction and the so-called “box behaviour”, by which engineers tried to replicate in existing structures something that is relatively simple to implement, and whose effects are well controllable, in new constructions, but which in an existing construction has great problems of practical implementation (particularly in the connection between new elements and existing elements) and of potentially negative structural effects (increase of stresses in an already weak masonry). It is important to note that the effectiveness of the interventions is tested by earthquakes that take place in later times, and in some areas of central Italy it has been possible to draw indications of this kind. In the earthquake of Umbria-Marche in 1997 it was possible to observe various problematic situations in buildings where the existing floors had been replaced by heavier and more rigid slabs.

Allow me, however, to add a further comment. From the scientific point of view, the fact that an intervention is “harmful” or weakens the structure compared to the non-intervention is verifiable experimentally only if there is a confirmation of what would happen to the building without intervening and what would happen following the intervention . This type of comparison in the vast majority of practical cases  is not possible, except for very fortunate cases of almost identical buildings built on the same ground where one was reinforced and the other not, or that were reinforced with different methods. Or through laboratory experiments, comparing specimens tested on a “shaking table” (earthquake simulator). So, in general I am always rather skeptical of interpretations given on the basis of purely visual rapid surveys, without the necessary in-depth study of the details and without a quantitative analysis carried out in a competent and thorough manner.
I can say (and I know that many colleagues have a similar opinion) that in many cases seen in central Italy the collapse of the construction would have taken place regardless of the type of floor, light or heavy, rigid or flexible, by virtue of the bad quality of the masonry, which appeared to be the main problem.

6. How did the repetition of the strong shocks play in the aggravation of the damage (where it occurred)? Is it something that is implicitly foreseen, and taken care of, by the seismic norms? On the other hand, how do you explain the numerous cases of almost total absence of damage?

The repeated shaking aggravates the damage, the more the damage caused by the previous shock is serious. It seems a rather obvious statement, but essentially it is what happens. For example, if a first shock on a masonry building generates only a few cracks, not very wide and of a certain type (for example horizontal cracks, which close after the shock due to selfweight), the building has not lost much of its resistance; so if it is subjected to repeated shaking, less intense than the first shock, it is possible that the damage does not get too much worse, and if it is subjected to a shaking stronger than the first shock it will have a resistance equal to or slightly less than it would have if the first shock had not been there. On the other hand, if a shock leads to the development of diagonal cracks (so-called “shear cracks”) or vertical cracks with spalling, the damaged part has lost a significant portion of its ability to resist and subsequent repeated shaking can lead to progressive degradation and collapse, even if the subsequent shocks suffered by the building, individually, are perhaps less strong than the first one. This is something visible and reproducible also in the laboratory.

That said, there are types of constructions and structural elements that are more or less sensitive to the repetition of the seismic action. When seismic engineers speak of “ductility” of the structure or of a mechanism, they also refer to the ability of a structure to resist repeated loading cycles well beyond the threshold of the first crack or the first visible damage, without reaching collapse. A well-designed modern reinforced concrete construction is a structure of this type, for example. Unreinforced masonry, on the other hand, is more susceptible to damage induced by the repetition of loading cycles beyond cracking. As a consequence, existing masonry buildings, once damaged by a first shock, are more vulnerable to subsequent shocks. On the other hand, if the first shock does not cause significant damage, the safety of the building remains, in most cases, more or less unchanged and this accounts for the fact that numerous masonry constructions have also resisted repeated shocks. Unfortunately, sometimes the damage may not be clearly visible. Damage in masonry originates in the form of micro-cracks (not visible to the naked eye) which then develop into macro-cracks. If in a laboratory test a sample of masonry is pushed to a condition very close to the onset of the macro-cracks but the load is removed just before they develop, it may happen that in a subsequent loading phase the macro-cracks develop at a load level lower than that achieved in the first phase. It may therefore happen that a building that has resisted a violent shock without apparent damage is visibly damaged by a subsequent shock less violent than the first.

You ask me if the behavior of the structure under repeated shocks is implicitly considered in the seismic norms: the answer is yes, at least for certain aspects. For example, the respect of certain construction details in reinforced concrete and the application of certain rules in the sizing of the sections and of the reinforcement have this purpose: to make the structure less susceptible to damage under repeated actions. Moreover, less ductile structures, such as those in unreinforced masonry, are designed with higher seismic “loads” than the more ductile structures, also to compensate their greater susceptibility to degradation due to repeated action. However, there are some aspects of the problem of resistance and accumulation of damage under repeated shaking that remain to be explored and are still cutting-edge research topics. In particular, if it is true that theoretical models are becoming available to assess how the risk (i.e. the probability of collapse or damage) evolves in a building or a group of buildings as time passes and seismic shocks occur, these models must still be refined to give results that are quantitatively reliable.

7. It seems to me that the variety of masonry buildings, at least in Italy, is really large: so large that knowing them requires an approach similar to that of medicine, where each case has its own peculiarities. Therefore, there is perhaps no universal therapy, every case requires a specific care: is it correct? And if so, given that the building and construction techniques and quality of different areas of the Apennines (and others) are similar to those of the areas affected in 2016, should a similar destruction be expected to repeat again?

This comparison with medicine fits very well, there are really many similarities between the work of the technician who has to understand what to do with an existing building and that of the doctor who tries to make a diagnosis and to find a correct therapy for a patient. From the technical point of view there is no universal therapy and no (good) doctor would be able to apply a therapeutic protocol without the anamnesis, the objective examination, any necessary instrumental or laboratory tests and the formulation of a diagnosis (which tells us what is the patient’s disease / health status, and then defines what he needs, the therapy). The good technician follows a similar path to arrive at the evaluation of safety and possible hypotheses of intervention (or not intervention). Of course it is possible and necessary, as is the case for medicine and public health, to define strategies and policies for prioritization and allocation of resources to ensure that the overall seismic risk in our country decreases. Certainly, where the old buildings have not been subject to maintenance, or just to aesthetic and functional maintenance without structural reinforcement, we can expect destructions similar to those seen in 2016 on the occasion of future earthquakes of comparable magnitude. This applies to both public and private buildings.

Where instead we have intervened or will intervene in a conscious way, paying attention to the problem of seismic safety, the level of damage to be expected is  lower, as the experience of the past earthquakes teaches us.
Allow me to conclude this interview with some non-purely technical engineering comments. The possibility of reducing the seismic risk in Italy depends on many factors, ranging from how politics govern the problem of natural hazards, to how technicians, individually and collectively, interact and communicate with politics, to how the presence of risk is communicated to the population, to how, as a consequence,  the citizen makes his choices when he buys or takes decisions to maintain a property. In my opinion it is necessary to progressively evolve into a system in which the citizen recognizes that it is in his own interest to pursue a higher seismic safety, initially spending a little more, because he will have a return in the future not only in terms of safety but also of economic benefit, for example in the market value of his property. The “Sismabonus” initiative is certainly a first step in this direction, but other steps will have to be taken. The goal, certainly not easy to achieve, should be that the safety level of a building has a clear and recognized economic market value, and I think this would work for both the small owner and for real estate investors. I know that some are scared by this perspective, but personally I think that, at least for what concerns privately owned real estate and facilities, there are no other ways to achieve, within a few decades, a substantial and widespread reduction of seismic risk in Italy.

…….”Questo paragone con la medicina calza benissimo; ci sono veramente tante analogie tra il lavoro del tecnico che deve capire cosa fare di un edificio esistente e quello del medico che cerca di fare una diagnosi e di individuare una terapia corretta su un paziente”…..

English version here: Masonry buildings to the test of Italian earthquakes (interview with Guido Magenes)

Guido Magenes è professore di Tecnica delle Costruzioni all’Università di Pavia e allo IUSS Pavia. E’ inoltre coordinatore della sezione murature della Fondazione EUCENTRE. La sua area di maggior competenza è il comportamento sismico delle costruzioni in muratura e per questo ha anche partecipato e tuttora partecipa a numerosi comitati tecnico-normativi italiani e europei. 
Abbiamo discusso con lui del comportamento degli edifici in muratura in Italia, con particolare riferimento a quanto avvenuto in occasione degli ultimi terremoti.

1. I terremoti del 2016 hanno determinato una sequenza di scuotimenti che ha messo a dura prova gli edifici della zona colpita, in particolare quelli in muratura. Gli effetti visti sul campo sono molto diversi fra loro: accanto agli edifici già pesantemente danneggiati dal terremoto del 24 agosto ve ne sono altri che hanno visto aggravare le loro condizioni dalle scosse di ottobre, e altri che sembrano non aver subito danni gravi in tutta la sequenza. Hai una spiegazione per questo?

Il patrimonio di edifici in muratura esistenti sul nostro territorio ha caratteristiche e qualità molto variabili, in funzione dell’epoca di costruzione, dei materiali e dei criteri costruttivi utilizzati, della tipologia e forma architettonica (edifici ordinari o chiese, palazzi, torri, eccetera…), degli eventuali interventi di manutenzione e rinforzo o manomissione e indebolimento succedutesi nel tempo. Certamente esistono tipologie problematiche ricorrenti, ma la diversità del comportamento degli edifici in muratura, al netto della severità dello scuotimento (ovvero del diverso moto del terreno nei vari siti), è dovuta appunto a questa grande variabilità.
Nel caso specifico della sequenza sismica dell’Italia centrale, che ha interessato un’area molto vasta e quindi una notevole varietà di edifici, si è quindi osservato quello che dici tu: dall’edificio di costruzione recente, di pochi piani, in buona parte o in tutto conforme ai criteri moderni di progettazione e di costruzione, che non ha presentato danni di rilievo, agli edifici storici con grandi luci ed altezze, come ad esempio le chiese, che tendono ad essere più vulnerabili e hanno quindi subito danni significativi e crolli a causa delle loro dimensioni, dei rapporti geometrici e della loro organizzazione strutturale. In molti casi anche la scarsa qualità dei materiali ha ulteriormente aggravato la situazione.

2. In tutti i Comuni colpiti vigeva la normativa sismica, con diversi anni di decorrenza (gli estremi sono rappresentati da Amatrice e Accumoli, 1927, e Arquata del Tronto, 1984).

da https://tegris2013.files.wordpress.com/2018/02/considerazioni-su-flagello-del-terremoto-e-riduzione-del-rischio-sismico.pdf

La distribuzione del danno non sembra essere influenzata da queste diversità; c’è una ragione?

Non tutte le normative sono ugualmente efficaci: una norma del 1927 è ovviamente molto diversa, sotto tanti punti di vista, da una norma degli anni ’80 o degli anni 2000 e, come ho accennato sopra, gli edifici costruiti nel rispetto delle norme più recenti si sono comportati generalmente bene (edifici costruiti con blocchi artificiali e malte di buona resistenza, oppure anche edifici in pietra demoliti e ricostruiti con malte di buona qualità).
Non direi quindi che la distribuzione del danno non sia del tutto influenzata dal contesto normativo. Dipende da cosa c’era scritto nella norma e da quanti edifici sono stati costruiti o riparati o rinforzati dopo l’introduzione della norma (nei centri colpiti una percentuale notevole degli edifici era stata costruita prima delle normative sismiche che hai ricordato). Le norme e i criteri progettuali non nascono necessariamente perfetti e aggiustano il tiro sulla base dell’esperienza dei terremoti. Ad esempio, certamente è solo da quindici-venti anni che si è incominciato a riconoscere che certi tipi di interventi proposti e largamente applicati dopo i sismi del Friuli e della Basilicata sono dannosi o non funzionano (si pensi ai famigerati ”cordoli in cemento armato in breccia” inseriti in un edificio esistente in muratura di pietrame: è da Umbria-Marche ’97 che si è incominciato a capirne l’inefficacia).
Nei centri in cui la presenza di una normativa o di una classificazione sismica sembra non aver sortito alcun effetto bisogna tener conto anche del fatto che i controlli sulla qualità della costruzione degli edifici, in particolare in muratura, erano inesistenti o inefficaci almeno fino alle legislazioni più recenti. L’uso di una malta scadentissima è un elemento ricorrente in molte delle vecchie costruzioni in muratura crollate o danneggiate nell’ultima sequenza sismica. In centri come Accumoli e Amatrice sembra che anche dove sono stati fatti interventi sugli edifici, sostituendo ad esempio i vecchi solai, o inserendo qualche catena, non ci fosse consapevolezza o si sia molto sottovalutato il problema della scarsa qualità muraria, rendendo in definitiva inefficaci gli interventi fatti. Aggiungiamo poi che gran parte di quelle aree hanno subito dagli inizi del 1900 ad oggi un notevole spopolamento, con inevitabili conseguenze sulla manutenzione delle costruzioni, che ha portato ad un incremento di vulnerabilità piuttosto diffuso.

Ci sono poi alcuni casi particolari in cui norme storiche e norme più recenti sembrerebbero aver avuto un effetto positivo. Prendiamo l’esempio di Norcia: senza entrare nel dettaglio delle misurazioni delle caratteristiche del moto, è un dato di fatto che Norcia nell’ultima sequenza abbia subito forti scuotimenti, paragonabili a quelli di Amatrice e Accumoli ma con un danno agli edifici molto inferiore. Nella storia di Norcia ci sono stati due eventi molto significativi che hanno avuto un effetto notevole sulla risposta degli edifici in quest’ultima sequenza, uno antecedente ed uno seguente alla norma del 1962. Nel 1859 un forte terremoto causò numerosi crolli e vittime in alcune zone del centro storico, e a seguito di ciò lo Stato Pontificio emanò un regolamento molto efficace che dava una serie di disposizioni sulle riparazioni e le ricostruzioni: sulla geometria, in particolare sull’altezza massima degli edifici (due piani), sui dettagli costruttivi, sulla qualità dei materiali. Poi nel 1979 c’è stato un altro terremoto in Valnerina, a seguito del quale si sono danneggiate altre parti del centro storico, a cui hanno fatto seguito una serie di interventi sistematici di rinforzo, su molti edifici. In molti di questi edifici il rinforzo delle murature verticali (pur con la tecnica controversa dell’intonaco armato) ha rimediato ad uno dei principali elementi di vulnerabilità, cioè la scarsa qualità muraria. Se per un attimo lasciamo da parte gli elementi che possono andare a sfavore dell’uso dell’intonaco armato (in primis la durabilità dell’intervento), e lo vediamo semplicemente come una tecnica che ha rimediato ad un fattore di grande vulnerabilità, possiamo dire che per Norcia c’è quindi stato un effetto positivo di normative regionali pre-moderne e più recenti scaturite dall’esperienza diretta di eventi sismici.

3. Parliamo di normativa sismica e in particolare dei suoi aspetti ingegneristici. Si sente dire che è variata molto nel tempo, e che forse quella non recente non era del tutto efficace. E’ vero, e se sì perché?

Per quanto riguarda la componente ingegneristica della norma, quello che sappiamo ora del comportamento strutturale e sismico delle costruzioni, in muratura ma non solo, è il frutto di una continua evoluzione attraverso l’esperienza dei terremoti italiani e in altre parti del mondo. Da noi in Italia lo studio ingegneristico delle costruzioni in muratura ha ripreso vita, dopo decenni di quasi totale abbandono, dopo il terremoto del Friuli. Le prime norme in cui si danno indicazioni su come “calcolare” un edificio in muratura in Italia risalgono ai primi anni ’80 (per “calcolare” intendo “valutare quantitativamente il livello di sicurezza”). Per quanto il “calcolo” non sia l’unica componente della progettazione, questo fatto dà l’idea di come siano solo le norme molto recenti ad avere una base tecnico-scientifica allineata con le conoscenze attuali. Ci tengo a dire che l’assenza del calcolo in un progetto non implica necessariamente che l’edificio non sia sicuro: nel passato si seguivano regole geometriche e costruttive di tipo empirico, basate sull’esperienza e sull’intuizione del comportamento meccanico, ancorché non esplicitata in calcoli. Ancor oggi per la progettazione di un edificio in muratura semplice e regolare è possibile seguire regole geometriche e costruttive codificate che consentono di evitare calcoli dettagliati o complessi, raggiungendo comunque un livello adeguato di sicurezza.
Le esperienze dei sismi dell’Irpinia, dell’Umbria-Marche, via via fino ai più recenti dell’Italia centrale, sono stati un continuo banco di prova e una fonte di conoscenza. Ad esempio, come accennato nella risposta alla domanda precedente, il terremoto Umbria-Marche 1997, oltre a sottolineare come sempre la grande vulnerabilità delle chiese e di certe strutture storiche, è stato un notevole banco di prova per criteri e tecniche di intervento sugli edifici in muratura proposti e sviluppati a seguito dei terremoti italiani di fine anni ’70, mettendo in evidenza come alcune tecniche non risultano essere molto efficaci o possono essere addirittura controproducenti se applicate in modo indiscriminato e inconsapevole.

Per concludere questa mia risposta con una mia opinione sulle attuali norme tecniche, credo che per quel che riguarda la progettazione delle nuove costruzioni siamo veramente ad un livello molto avanzato e che consegue i livelli di sicurezza che oggi si ritengono adeguati  Credo che ci siano più incertezze in merito alla valutazione e al rinforzo degli edifici esistenti, anche se non è tanto un problema normativo ma proprio di conoscenze scientifiche e di corretta individuazione di strategie e tecniche per l’intervento. E’ certamente più facile concepire e costruire ex novo un edificio sismo-resistente, che valutare e intervenire su un edificio esistente.

4. Quanto – e come – gioca nella sicurezza sismica di un edificio in muratura la sua realizzazione, al di là del progetto?

La domanda mi dà l’occasione di soffermarmi ancora un momento su cosa si intende per “progetto”, che è qualcosa di diverso dal mero “calcolo”. Il progetto comprende tutti gli aspetti di ideazione, concezione, scelta e organizzazione della struttura, scelta di materiali e tecniche costruttive con la consapevolezza di come potranno e dovranno essere realizzati in opera, calcoli di verifica delle prestazioni in termini di sicurezza e di comportamento in esercizio, prescrizioni sui dettagli costruttivi. Nella progettazione sismica moderna è inoltre necessario tener conto, quando rilevante, della risposta sismica delle parti non strutturali della costruzione. Deve inoltre esserci il controllo che quanto prescritto nel progetto sia realizzato in fase di costruzione. Il calcolo è quindi solo una componente del progetto. E’ interessante quindi notare come gran parte degli edifici esistenti in muratura non è stato calcolato, perlomeno come intendiamo il calcolo strutturale ora. La prima norma tecnica nazionale sulle costruzioni in muratura con una descrizione sufficientemente dettagliata dei calcoli per la verifica strutturale risale al 1987. Norme tecniche con indicazioni per il calcolo sismico, sono state emanate dopo il sisma del Friuli 1976 e via a seguire. Prima di quelle norme esisteva sostanzialmente una letteratura e una manualistica tecnica, con riferimento ai principi della meccanica, nonché una tradizione costruttiva. Vorrei chiarire che sto parlando di norme che dicano come calcolare la resistenza di un edificio in muratura, soggetto ad azioni sismiche o non sismiche. Tanto per fare un esempio, il Regio Decreto del 1909 (post terremoto di Messina), grande esempio storico di normativa sismica, dà criteri per definire l’azione sismica, dà regole costruttive e geometriche ma non dice come si calcola la resistenza (quella che oggi si chiamerebbe la capacità) di un edificio in muratura.

La tradizione costruttiva basata sul rispetto della “regola dell’arte” ha sempre avuto ben presente l’importanza del dettaglio costruttivo, della qualità dei materiali, di come l’edificio viene costruito, e questo ha consentito e consente ad edifici ben costruiti ma non “calcolati” di resistere egregiamente a scosse sismiche anche molto violente. Nella costruzione moderna il rispetto in cantiere delle regole esecutive, del controllo della qualità dei materiali, è altrettanto importante, anche se lo è per la muratura come per le altre tipologie. La sensibilità della struttura a difetti costruttivi è funzione del livello di robustezza della concezione strutturale. Una costruzione scatolare in muratura, fortemente iperstatica (cioè in cui il numero di elementi resistenti è superiore al minimo necessario per garantire l’equilibrio dei carichi) potrebbe in principio essere meno sensibile al problema di una struttura prefabbricata isostatica (cioè in cui il numero di elementi resistenti è pari al minimo necessario per garantire l’equilibrio dei carichi, per cui è sufficiente che un solo elemento vada in crisi per avere il collasso). Ovviamente stiamo parlando di eventuali difetti locali e non generalizzati su tutta la costruzione. Se tutti i materiali sono scadenti in tutta la costruzione è un grosso guaio, ed è comunque difficile dire se sta peggio un edificio in muratura o uno a telaio in cemento armato, in cui magari aggiungiamo difetti nei dettagli d’armatura nei nodi o negli ancoraggi….

5. Molti operatori che sono intervenuti sul campo, hanno riscontrato tracce di interventi che avrebbero indebolito le strutture. Ti risulta?

Nei rilievi post-terremoto svolti in modo rapido in condizioni di emergenza, non sempre si riesce a capire con chiarezza la storia dell’edificio e quali modifiche siano state apportate, in che tempi e modalità, ma a volte è evidente che alcune modifiche apportate al fabbricato siano state di detrimento alla sicurezza.  Sovente si tratta di interventi fatti con totale inconsapevolezza degli effetti sulla sicurezza e con finalità legate puramente alla destinazione d’uso, all’utilizzo e alla ridistribuzione degli spazi. In altri casi, più rari, si tratta di situazioni di interventi fatti anche con finalità “strutturali” magari anche con l’idea di conseguire un incremento di sicurezza, ma che in realtà sono dannosi o inefficaci. Un classico esempio, spesso discusso in letteratura anche sulla base dei rilievi post-sisma italiani da Umbria-Marche 1997 in poi, è l’inserimento di elementi strutturali nuovi, rigidi e pesanti (come ad esempio la sostituzione di un solaio in legno con un solaio in cemento armato) in un edificio con muratura molto debole (ad esempio muratura in pietrame irregolare con malta scadente), senza che la muratura venga consolidata in modo adeguato. C’è stato un periodo, successivo ai terremoti del Friuli e dell’Irpinia, in cui si sosteneva molto il fatto che i diaframmi (ovvero i solai e i tetti) rigidi aumentano l’iperstaticità, ovvero la robustezza della costruzione e il cosiddetto “comportamento a scatola”, per cui si cercava di riprodurre in strutture esistenti qualcosa che è relativamente semplice realizzare e i cui effetti sono ben controllabili nelle nuove costruzioni,  ma che in una costruzione esistente ha problemi realizzativi (nel collegamento tra elementi nuovi e elementi esistenti) e strutturali  (possibile aumento delle sollecitazioni nella muratura). E’ importante notare che l’efficacia degli interventi viene messa alla prova da terremoti che hanno luogo successivamente, e in alcune zone dell’Italia centrale è stato ed è possibile ora trarre indicazioni di questo tipo. Nel terremoto dell’Umbria-Marche del 1997 è stato possibile osservare diverse situazioni problematiche in edifici in cui erano stati sostituiti i solai esistenti con solai più pesanti e rigidi.

Permettimi però di aggiungere un ulteriore commento. Dal punto di vista scientifico, il fatto che un intervento sia “dannoso” ovvero indebolisca la struttura rispetto al non-intervento è verificabile sperimentalmente solo se c’è il riscontro di cosa succederebbe all’edificio senza intervenire e cosa succederebbe a seguito dell’intervento. Questo tipo di confronto nella stragrande maggioranza dei casi non c’è o non è possibile farlo, a meno di casi fortunatissimi di edifici quasi identici costruiti sullo stesso suolo in cui uno è stato rinforzato e l’altro no, oppure sono stati rinforzati con metodi diversi. Oppure, come ad alcuni ricercatori capita di fare, quando si confrontano prove sperimentali su tavola vibrante. Quindi in generale io sono sempre piuttosto scettico di fronte a interpretazioni date sulla base di rilievi puramente visivi, senza il necessario approfondimento dei dettagli e senza una analisi quantitativa svolta in modo competente.
Mi sento di poter dire (e so che molti colleghi hanno la stessa opinione) che in moltissime situazioni viste in centro Italia il crollo della costruzione sarebbe avvenuto e avverrebbe a prescindere dal tipo di solaio, leggero o pesante, rigido o flessibile, in virtù della pessima qualità della muratura, che mi sembra sia stato il problema principale.

6. Come ha giocato nell’aggravamento del danno (laddove si è verificato) il ripetersi degli scuotimenti forti? Si tratta di qualcosa che è implicitamente previsto, e contrastato, dalle norme sismiche? Viceversa, come spieghi i numerosi casi di assenza quasi totale di danno?

Lo scuotimento ripetuto aggrava tanto più il danno quanto più il danno generato dalla scossa precedente è grave. Sembra un’affermazione un po’ banale, però nella sostanza è quello che succede. Per esempio, se in un edificio in muratura una prima scossa genera solo poche fessure non molto ampie e di un certo tipo (ad esempio fessure orizzontali nei muri, che si richiudono dopo la scossa per effetto del peso proprio), l’edificio non ha perso molta della sua capacità resistente; quindi se verrà assoggettato a scuotimenti ripetuti, meno intensi della prima scossa, è possibile che il danno non si aggravi eccessivamente, e se verrà assoggettato ad uno scuotimento più forte della prima scossa avrà una resistenza uguale o di poco inferiore a quella che avrebbe se la prima scossa non ci fosse stata. Se invece una scossa porta a sviluppare fessure diagonali (le cosiddette fessure “per taglio”) o fessure verticali con distacchi, la parte lesionata ha perso una quota significativa della sua capacità di resistere e lo scuotimento ripetuto successivo può portare al degrado progressivo e al crollo anche se le scosse successive subite dall’edificio, singolarmente sono magari meno forti della prima. E’ qualcosa di visibile e riproducibile anche in laboratorio.

Detto questo, ci sono tipologie di costruzioni e di elementi strutturali che sono più o meno sensibili al ripetersi dell’azione sismica. Quando gli ingegneri sismici parlano di “duttilità” della struttura o di un meccanismo si riferiscono anche a questo, cioè alla capacità di una struttura di resistere a ripetuti cicli di sollecitazione ben oltre la soglia della prima fessurazione o del primo danno visibile, senza arrivare al crollo. Una costruzione moderna ben progettata in cemento armato è una struttura di questo tipo, ad esempio. La muratura non armata, invece è più suscettibile al danno indotto dalla ripetizione di cicli di sollecitazione post-fessurazione. Come conseguenza, gli edifici esistenti in muratura una volta danneggiati da una prima scossa sono più vulnerabili a scosse successive. Se invece la prima scossa non genera danni di rilievo la sicurezza della costruzione si mantiene, nella maggior parte dei casi, più o meno inalterata e questo rende conto del fatto che anche numerose costruzioni in muratura hanno resistito alle scosse ripetute. Purtroppo a volte il danno può non essere chiaramente visibile. Il danno nella muratura si origina sotto forma di micro-fessure (non visibili ad occhio nudo) che si sviluppano poi in macro-fessure. Se in una prova di laboratorio si spinge un campione di muratura ad una condizione molto prossima all’innesco delle macro-fessure ma si rimuove il carico prima del loro sviluppo, può succedere che in una fase di carico successiva la macro-fessura si formi ad un livello di carico inferiore a quello raggiunto nella prima fase. Può quindi succedere che un edificio che ha resistito ad una scossa violenta senza danni apparenti si lesioni visibilmente per una scossa successiva meno violenta della prima.

Mi chiedi se il comportamento della struttura a scosse ripetute sia implicitamente considerato nelle norme sismiche: la risposta è affermativa, almeno per alcuni aspetti. Ad esempio, il rispetto di certi dettagli costruttivi nel cemento armato e l’applicazione di certe regole nel dimensionamento delle sezioni e dell’armatura hanno proprio anche questo scopo, di rendere la struttura meno suscettibile al danno sotto azioni ripetute. Inoltre strutture meno duttili, come quelle in muratura non armata, vengono progettate con azioni sismiche di progetto più elevate anche per “compensare” la loro maggiore suscettibilità al degrado dovuto all’azione ripetuta. Ci sono però alcuni aspetti del problema della resistenza e dell’accumulo del danno sotto scosse ripetute che restano ancora da esplorare e costituiscono un argomento di ricerca ancora abbastanza “di frontiera”. In particolare, se è vero che incominciano ad essere disponibili dei modelli concettuali per valutare come cambia il rischio (ovvero la probabilità di collasso o di danneggiamento) di un edificio o di un insieme di edifici al trascorrere del tempo e al susseguirsi delle scosse sismiche, questi modelli vanno ancora notevolmente affinati per dare risultati che siano quantitativamente affidabili.

7. Mi sembra di capire che la varietà delle casistiche degli edifici in muratura, almeno in Italia, sia veramente elevata: tanto elevata che conoscerle richiede un approccio simile a quello della medicina dove ogni caso rappresenta quasi un fatto singolo. Forse non esiste quindi una terapia universale ogni caso richiede una cura particolare: è corretto? E se sì, visto che le condizioni edilizie di diverse zone dell’Appennino (e non solo) sono simili a quella delle zone colpite nel 2016, ci si devono attendere distruzioni analoghe?

Questo paragone con la medicina calza benissimo, ci sono veramente tante analogie tra il lavoro del tecnico che deve capire cosa fare di un edificio esistente e quello del medico che cerca di fare una diagnosi e di individuare una terapia corretta su un paziente. Dal punto di vista tecnico non esiste una terapia universale e a nessun (bravo) medico verrebbe in mente di applicare un protocollo terapeutico senza l’anamnesi, l’esame obiettivo, eventuali esami strumentali o di laboratorio e la formulazione di una diagnosi (che ci dice quale è la malattia /stato di salute del paziente, e quindi ci definisce di cosa ha bisogno). Il bravo tecnico segue un percorso analogo per pervenire alla valutazione della sicurezza e alle possibili ipotesi di intervento (o non intervento). Certo è possibile e doveroso, come avviene a livello sanitario, definire delle strategie e delle politiche di prioritizzazione e allocazione di risorse per far sì che complessivamente il rischio sismico nel nostro paese diminuisca. E’ certo che là dove l’edilizia vecchia non è stata soggetta a manutenzione, o a sola manutenzione estetica e funzionale senza rinforzo strutturale ci si possono attendere distruzioni analoghe a quelle viste nel 2016 in occasione di eventuali futuri sismi di magnitudo comparabile. Questo vale sia per l’edilizia pubblica che privata. Là dove invece si è intervenuti o si interverrà in modo consapevole ponendo attenzione al problema della sicurezza sismica, l’esperienza degli ultimi terremoti ci insegna che il livello di danno da attendersi sarà più contenuto.

Permettimi di concludere questa intervista con qualche commento di tenore non prettamente tecnico-ingegneristico. La possibilità di ridurre il rischio sismico in Italia dipende da tanti fattori, che vanno dal modo con cui la politica affronta il problema dei rischi naturali, al modo con cui i tecnici, singolarmente e collettivamente, interagiscono e comunicano con la politica, al modo con cui si comunica la presenza del rischio alla popolazione, al conseguente modo con cui il cittadino compie le sue scelte quando acquista o deve decidere di manutenere un immobile. Secondo me è necessario arrivare progressivamente ad un sistema in cui il cittadino riconosca che è nel suo interesse perseguire una maggiore sicurezza sismica, spendendo inizialmente un po’ di più perché ne avrà un ritorno in futuro non solo in termini di sicurezza ma anche di beneficio economico, ad esempio di valore del proprio immobile. L’iniziativa del Sismabonus è sicuramente un primo passo in questa direzione, ma dovranno essere fatti altri passi. L’obiettivo, certamente non facile da raggiungere, dovrebbe essere che il livello di sicurezza di una costruzione abbia un chiaro corrispettivo in termini di valore economico, e credo che questo funzionerebbe sia per il piccolo proprietario che per gli investitori immobiliari. So che questo spaventa alcuni, ma personalmente credo che, almeno per quel che riguarda il patrimonio immobiliare di proprietà privata, non ci siano altre soluzioni per arrivare nel giro di qualche decennio ad una concreta e diffusa riduzione del rischio sismico in Italia.

(english version below)

Questo titolo prende manifestamente spunto da quello del volume di Alessandro Amato: “Sotto i nostri piedi”, arrivato alla seconda ristampa (con integrazione sulla sequenza sismica del 2016 in Centro Italia) e in distribuzione nelle edicole con “Le Scienze”, dopo che l’autore è stato finalista del Premio Letterario Galileo 2017.

Il volume di Amato tratta di sismologia, previsione dei terremoti, aspetti scientifici, culturali e politici. I sismologi si occupano di descrivere, nel miglior modo possibile, come si generano i terremoti e come le onde sismiche si propagano nella Terra; il tutto, appunto, sotto i nostri piedi. Alcuni sismologi si occupano, in una specie di terra di confine dove operano anche alcuni ingegneri, di descrivere come le onde sismiche interagiscono con la superficie del terreno e con gli edifici: quindi, di fornire la descrizione del moto del suolo nelle modalità più adatte all’ingegneria sismica. Questa terra di confine si chiama in inglese “engineering seismology”, le cui possibili traduzioni italiane suonano tutte male. Una Sezione dell’INGV, quella di Milano, si occupa in prevalenza di questi aspetti ed era denominata “Sismologia Applicata”; tempo fa aveva ricercato una collaborazione stretta, istituzionale, con la Fondazione Eucentre di Pavia, alla cui costituzione INGV aveva peraltro contribuito come socio fondatore, sia pure con poco merito e ancor meno investimento. Continua a leggere →

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