Valutazione del comportamento sismico e della capacità di collasso di strutture duali in C.A. telaio–tamponamento considerando l’interazione suolo‑struttura in diverse condizioni del terreno

Perché il terreno sotto gli edifici conta

Quando immaginiamo edifici resistenti ai terremoti, spesso ci concentriamo sulla resistenza di pilastri, travi e pareti. Eppure una parte cruciale della storia è nascosta alla vista, nel terreno e nelle fondazioni che sostengono la struttura. Questo studio pone una domanda apparentemente semplice ma dalle grandi implicazioni per la sicurezza: quanto la duttilità o flessibilità del terreno stesso modifica il comportamento degli edifici in cemento armato durante forti terremoti, e le norme attuali potrebbero sottostimare il rischio di collasso — specialmente sui terreni molli?

Come gli edifici moderni in cemento resistono alle scosse

Molti edifici in cemento di media e grande altezza adottano un sistema “duale” per resistere ai terremoti. Pareti verticali in calcestruzzo, chiamate pareti tagliafuori o shear wall, lavorano insieme ai telai circostanti costituiti da travi e colonne. Le pareti rigide assorbono la maggior parte delle sollecitazioni laterali, mentre i telai forniscono capacità di riserva e contribuiscono a controllare i danni. I codici di progettazione in genere assumono che la base della struttura sia fissata al terreno, ossia che la fondazione non subisca beccheggio o scorrimento. Nella realtà, soprattutto su terreni più molli, struttura, fondazione e suolo si muovono e si deformano insieme. Questa interazione suolo–fondazione–struttura può allungare il periodo naturale dell’edificio, modificare la trasmissione delle forze attraverso telaio e pareti e alterare i punti in cui si concentra il danneggiamento durante un sisma.

Mettere alla prova edifici e terreni

I ricercatori hanno creato modelli al computer dettagliati di tre edifici in cemento armato — di 5, 10 e 15 piani — progettati secondo i codici statunitensi vigenti per due tipi di sito comuni: un terreno più rigido (Tipo C) e uno più morbido (Tipo D). Per ciascuna altezza e tipo di suolo hanno confrontato una versione idealizzata a base fissa con una versione a base flessibile più realistica, nella quale le fondazioni potevano rockare e assestarsi su molle che rappresentano il comportamento del suolo. Poi hanno eseguito migliaia di simulazioni usando registrazioni sismiche reali, includendo eventi al livello di progetto e scuotimenti molto più intensi. Queste simulazioni hanno catturato non solo gli spostamenti globali (quanto oscilla ogni piano) ma anche i “cernieri plastici” — zone in cui travi e colonne cedono e accumulano danni permanenti — e, in ultima istanza, se ci si poteva aspettare il collasso dell’edificio.

Cosa succede su suolo morbido rispetto a suolo rigido

I risultati mostrano che fondazioni flessibili possono sia ammortizzare sia mettere in pericolo gli edifici, con gli effetti più marcati sulle strutture più basse e sui terreni morbidi. Consentire il beccheggio della costruzione ha allungato il periodo di vibrazione e ridotto le forze di base di picco, ma ha anche aumentato gli spostamenti per piano e i danni alle travi. Sul suolo più morbido, gli spostamenti interpiano nel modello a 5 piani sono aumentati fino al 100 percento rispetto al caso a base fissa; anche le versioni a 10 e 15 piani su suolo morbido hanno visto aumenti degli spostamenti di circa il 58 e il 18 percento. Con l’ammorbidimento del terreno, le pareti tagliafuori hanno sopportato una quota minore delle sollecitazioni, trasferendo più carico ai telai circostanti. Questa riallocazione ha causato rotazioni maggiori alle estremità delle travi — fino al 65 percento in più su suolo morbido e il 36 percento in più su suolo più rigido — soprattutto nei piani bassi e nelle campate esterne dove i danni tendono a far scaturire il collasso.

Da un’oscillazione in più a un rischio di collasso più elevato

Per andare oltre le singole simulazioni, il team ha utilizzato un metodo chiamato analisi dinamica incrementale per costruire curve di fragilità — relazioni statistiche tra l’intensità della scuotimento del terreno e la probabilità di collasso. Queste curve hanno rivelato che le basi flessibili aumentano costantemente la probabilità di collasso, in particolare su suolo morbido. Per gli edifici su suolo più morbido, il margine tra la scuotimento di progetto e il collasso si è ridotto fino al 35 percento quando è stata inclusa la flessibilità del suolo. Ai livelli massimi di terremoto considerati, la probabilità di collasso per strutture su suolo morbido è salita nella fascia del 9–12 percento, rispetto a solo pochi punti percentuali quando si assumeva che le fondazioni fossero perfettamente fisse. È interessante notare che, per gli edifici alti, il comportamento aggiuntivo di beccheggio sembrava modesto per scuotimenti al livello di progetto, ma a intensità molto elevate amplificava gli spostamenti laterali e gli effetti cosiddetti P–Delta, nei quali i carichi gravitazionali inclinati destabilizzano ulteriormente la struttura.

Cosa significa per città più sicure

Per i non specialisti, il messaggio chiave è che la “cedibilità” del terreno può erodere silenziosamente il margine di sicurezza incorporato negli edifici moderni in cemento armato, in particolare nei sistemi duali parete–telaio su terreni molli. Progetti che appaiono robusti quando le fondazioni sono trattate come rigide possono, nella realtà, essere più vicini al collasso se il suolo consente rock e assestamenti significativi. Gli autori concludono che i codici e la pratica ingegneristica dovrebbero considerare in modo più esplicito l’interazione suolo–fondazione–struttura, piuttosto che assumere che sia sempre benefica. Ciò produrrebbe stime più affidabili delle sollecitazioni sismiche e una sicurezza più coerente tra i diversi siti, contribuendo a garantire che gli edifici su terreni molli non subiscano uno svantaggio nascosto quando colpirà il prossimo grande terremoto.

Citazione: Yousefi, A., Tehrani, P. Evaluation of seismic behavior and collapse capacity of dual RC frame–shear wall structures considering soil-structure interaction under varying soil conditions. Sci Rep 16, 6211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36577-0

Parole chiave: interazione suolo‑struttura, ingegneria sismica, edifici in cemento armato, rischio di collasso sismico, effetti dei terreni molli