Effetti del terremoto

Gli effetti di qualsiasi terremoto dipendono da tutta una serie di fattori estremamente variabili. Questi fattori sono di tipo:

Intrinseco al terremoto, vale a dire la sua magnitudo, il tipo di fagliazione, la profondita';
geologico, cioe' legati alle condizioni geologiche ove l'evento viene risentito - distanza dall'evento, percorso dei raggi sismici, tipologia e contenuto in fluidi del suolo;
sociali, cioe' dipendenti dalla qualita' delle costruzioni,preparazione della popolazione a fronteggiare un evento sismico, ora del giorno (ad es. ore di punta, evento di notte).

Si puo' mettere in relazione il numero di vittime causate da un sisma con la combinazione dei fattori sopra citati. Come esempio possiamo considerare il terremoto avvenuto il 17 ottobre del 1989 a Loma Prieta nell'area meno popolata della penisola di San Francisco, rispetto alle zone adiacenti estremamente urbanizzate.
La magnitudo del terremoto (ML) e' stata stimata in 7.1 (per avere un'idea dell'energia, oltre 30 volte superiore rispetto ai due eventi principali della sequenza umbro marchigiana del 1997). Gli standard costruttivi dell'area erano estremamente alti e la popolazione era preparata a fronteggiare l'emergenza terremoto. Tuttavia la zona della Baia di San Francisco e' caratterizzata dalla presenza di suoli soffici ed altamente saturi in acqua e questo ha causato spettacolari collassi strutturali in alcune delle vie di comunicazione, seppur lontane rispetto all'area epicentrale. Inoltre l'evento e' avvenuto in un'ora di punta con traffico ancora piu' intenso del consueto a causa della gara di apertura delle "World Series" che si stava effettuando quel giorno. Nonostante questi fattori negativi il numero di vittime e' stato limitato a 75.

Poco tempo prima, il 7 dicembre 1988 si era avuta una scossa di magnitudo pressoche' equivalente in Armenia settentrionale, nella zona di confine tra ex-Unione Sovietica e Turchia (in Italia e' comunemente conosciuto come terremoto di Spitak). In questo caso pero' l'evento si e' verificato in un'area estremamente urbanizzata e le caratteristiche costruttive degli edifici erano assolutamente precarie. L'evento si verifico' inoltre di notte. Molte delle costruzioni collassarono ed il numero di morti supero' le 25.000 unita'.

Il Terremoto del 17 Gennaio 1995 (Hyogo-Ken Nanbu Earthquake)

Piu' di 5000 persone perirono a causa di questo terremoto (Mw = 6.9) avvenuto nella prefettura di Hyogo, la maggior parte nella citta'di Kobe, il maggior porto del Giappone (in Italia questo terremoto e' noto infatti con il nome di terremoto di Kobe). La perdita di cosi' tante vite in un paese che tutti credevano assolutamente preparato a fronteggiare eventi catastrofici provoco' un'emozione intensa nella comunita' internazionale (da noi in Italia si dice comunemente che il Giappone e' preparatissimo a fronteggiare le catastrofi naturali come i terremoti, favoleggiando su case di carta etc., dimenticandosi di quanto avvenne in questo recente caso). Le dimensioni di questa catastrofe sono dovute a tutta una serie di terribili coincidenze ed all'influenza di vari fattori sismologici e sociali le cui concause si chiariranno meglio entrando nel dettaglio attraverso la serie di immagini e le descrizioni successive.

USGS seismotectonic map
(fonte USGS)

Kobe e' piu' lontana rispetto ad altre principali citta' del Giappone dalla pericolosa zona di intersezione di tre placche tettoniche : Pacifica, Euroasiatica e delle Filippine.
Questa tripla giunzione rappresenta il punto di incontro di 3 zone compressive di subduzione. Nella figura le zone tratteggiate in rosso rappresentano le parti delle faglie in subduzione che sono state interessate dai forti terremoti avvenuti nel 1944 e nel 1946. L'area di Kobe e' inoltre interessata anche da un sistema di faglie trascorrenti (la cosiddetta "Median TectonicLine" in giallo in figura nella parte a terra. Le altre linee in giallo nella zona a mare (quelli con le "barbette", come vengono gergalmente a volte chiamati i triangolini gialli) rappresentano i fronti delle placche in subduzione.

Aftershock map (da Earthquake Research Institute, Tokyo)

La mappa a lato mostra gli epicentri delle repliche (aftershocks) registrati nei due giorni successivi all'evento principale. L'osservazione della distribuzione degli eventi successivi al cosiddetto "main shock" (evento principale) resta tuttora uno degli indicatori fondamentali per capire l'estensione del settore di faglia coinvolto nella rottura principale. Notiamo come in questo caso gli eventi indichino una rottura trasversale alla "Awaji Island" che attraversa la baia di Honshu direttamente al di sotto della citta' di Kobe. Il fatto che l'evento si sia verificato proprio in corrispondenza di un centro abitato ha esaltato le caratteristiche distruttive dell'evento, venendo a mancare la mitigazione dovuta all'attenuazione dell'energia sismica durante la propagazione per eventi che si verificano a maggiori distanze.

Effetti diretti

L'effetto dei terremoti sulle strutture e sul paesaggio puo' sostanzialmente dividersi in due tipologie: effetti diretti e secondari. Gli effetti diretti sono collegati alla deformazione del suolo in corrispondenza della faglia la cui rottura ha generato l'evento sismico. Tali effetti sono limitati esclusivamente all'area interessata dalla rottura. La maggior parte delle rotture causate dei terremoti, che possano essere relazionate direttamente con la faglia principale, raggiungono raramente la superficie. Il terremoto di Kobe non sfugge a questa regola, si sono osservati effetti della superficie di rottura esclusivamente in un'area rurale dell'Awaji Island, con spostamenti relativi fino a 3 metri. Le strutture localizzate lungo la superficie di faglia, passibili quindi di essere direttamente danneggiate dallo spostamento sono limitate in confronto alle reali dimensioni della faglia stessa. In particolare in questo caso si sono avute evidenze di danni dovuti allo spostamento diretto del suolo su recinti, servizi fognari o di rete del sottosuolo e canali di irrigazione. Alcune evidenti disclocazioni sono state osservate anche in corrispondenza di risaie.

Aerial view of faulting
(da Geographical Survey Institute of Japan)

Veduta aerea della rottura dovuta alla faglia nella zona settentrionale di Awaji Island, ripresa il 18 gennaio 1995, giorno successivo all'evento. Da sinistra a destra possiamo notare una frana che interrompe una strada, una scarpata di faglia all'interno di una risaia, uno spostamento laterale destro in una strada rurale (vedi dettagli nel riquadro) ed altri 3 punti ove sono visibili gli spostamenti diretti. Notate come siano limitati i danneggiamenti visibili alle case, anche se molto vicine rispetto alla superficie di faglia.

Rice field cut by fault (da un report di J.-P. Bardet et al. per la Gifu Univ.; riproduzione autorizzata )

Vista lungo la scarpata di faglia ad Awaji Island. La parte della risaia a destra risulta sollevata di piu' di un metro. Notate anche la strada "tagliata" sullo sfondo. E' spesso possibile misurare gli spostamenti e le lunghezza dei settori di faglia esposti in superficie. Da questi si puo' stimare lo spostamento e l'area della faglia sepolta (non visibile in superficie) ed ottenere una stima, indipendente dalle registrazioni sismometriche, della magnitudo del terremoto.

Foto da un settimanale giapponese che mostra la scarpata di faglia. Notate lo spostamento sia verticale che orizzontale mostrato dall'argine della risaia. Strutture ben costruite resistono spesso a collassi strutturali, anche nelle immediate vicinanze di una faglia sismogenetica.

"Rimbalzo elastico", la deformazione permanente del suolo causata dalla rottura di faglia puo' estendersi diversi chilomentri dalla faglia stessa ed e' spesso misurabile, anche se la rottura rimane sepolta. Nel passato i geodeti hanno effettuato accurati e costosi sopralluoghi, visitando migliaia di siti per misurare direttamente le deformazioni in un'area colpita da terremoto

Satellite interferometry Interferometry on Awaji Isl.

Interferometry of Kobe (da GeographicalSurvey Institute of Japan e National Space Development Agency of Japan)

In seguito e' stato sviluppato un metodo piu' rapido che permette di ottenere mappe della deformazione utilizzando la interferometria radar. Con questa tecnica vengono comparate immagini di microonde-radar, in una data regione, prima e dopo l'evento sismico. Nella figura sopra, relativa sempre alla Awaji Island, a colore uguale corrisponde ugual spostamento ed ogni frangia di colore equivale ad uno spostamento verticale di 11 cm. Si notano oltre 8 differenti frange dando luogo ad uno spostamento massimo dell'ordine del metro causato dal terremoto. A sinistra,due frange parallele alla costa nella citta' di Kobe che indicano uno spostamento superiore ai 20 cm direttamente osservabile nella citta' causato dalla faglia sepolta.

Effetti Secondari

La maggior parte dei danni correlati ai terremoti risulta dagli effetti secondari, quelli cioe' che non sono necessariamente dovuti dal movimento della faglia ma risultano dalla propagazione delle onde sismiche a partire dalla zona di rottura. Gli effetti secondari risultanti dal passaggio temporaneo delle onde sismiche possono interessare aree anche molto vaste, causando un diffuso danneggiamento. Tali effetti includono: scuotimento, frane, liquefazioni, subsidenza, fessurazioni.

Scuotimento Sismico

(da Architecture Dept. of Tokyo Metro. Univ.)

Possiamo immaginare le onde sismiche che si dipartono dalla zona sorgente della rottura in modo simile alle onde che si generano in uno stagno quando vi lanciamo un sasso. L'altezza dell'onda generata si attenua via via che ci sia allontana dalla sorgente. Un effetto simile si ha per le onde sismiche. Nel grafico sopra e' riportata la variazione dell'accelerazione del suolo in funzione della distanza come misurata direttamente per il terremoto di Kobe. Una accelerazione di 1000 gal equivale a quella di gravita', basta comunque un valore anche del 50 % rispetto all'accelerazione di gravita' per rovesciare degli oggetti. Notate come vi sia una grande dispersione nei valori osservati, con variazione di 2 o 3 volte per la stessa distanza. Sono dovute ad effetti locali, e non a problemi di determinazione dei valori di accelerazione osservati, come chiariremo tra poco.

Shaking data map
(Earthquake Research Institute, Tokyo)

In questa mappa sono mostrate le differenze significative, anche per localita' estremamente vicine, causate dagli effetti secondari (piu' chiaramente dal passaggio delle onde sismiche) per le accelerazioni e le velocita' del moto del suolo misurate strumentalmente. Tali variazioni di ampiezza nei segnali registrati sono correlate a condizioni geologiche locali, alle differenti composizioni litologiche ed ai diversi spessori dei suoli, e prendono il nome di effetti di sito.

Shaking records
(da Architecture Dept. of Tokyo Metro. Univ.)

I sismogrammi sopra raffigurati rappresentano le registrazioni in due differenti siti a Kobe. A sinistra i tre sismogrammi (ognuno rappresenta il moto del suolo lungo 3 differenti componenti : la componente verticale, quella orientata in direzione nord-sud e quella nella direzione perpendicolare est-ovest) mostrano impulsi netti ed il contenuto in frequenza del segnale e' maggiormante spostato verso le alte frequenze. Nella figura a destra notiamo una maggiore componente a bassa frequenza, oltre ad una durata maggiore degli impulsi ad ampiezza maggiore. Il primo sito e' su roccia, il secondo e' localizzato vicino alla costa su un suolo soffice, spesso e saturo in acqua. Quest'ultima zona soffre dei maggiori danni a causa del terremoto. Vediamo quindi come le condizioni del sito (da qui il nome di effetti di sito) giochino un ruolo fondamentale nel danno sofferto dalle strutture a parita' di altre condizioni (quali magnitudo, tipologia di costruzione etc.)

Sheared house front
(da un report di J.-P. Bardet et al. della Univ. of South. California per Gifu Univ., Japan)

La maggior parte dello scuotimento sismico e' di tipo di taglio (l'espressione "side-to-side" degli autori anglosassoni rende molto bene l'idea dello scuotimento). Le costruzioni sono propense a resistere molto meglio alle sollecitazioni verticali (si pensi infatti che sono progettate per resistere alla forza di gravita', al loro stesso peso) che non a quelle di taglio. Inoltre e' molto piu' difficile deformare per taglio un triangolo che non un rettangolo. Per tali motivi il design di strutture antisismiche prevede rinforzi e sagomature di forma triangolare per resistere alle sollecitazioni di taglio.

Collapsed wood house
(Kobe University)

Questa casa in legno e' collassata a causa dello scuotimento sismico. E' lecito supporre che il tetto con tegole in ceramica ha sopportato piu' sforzo di taglio di quanto potesse reggere la struttura della casa in legno. Questa tipologia di costruzione e' molto comune in Giappone.

Concrete house fares better
(da un report di J.-P. Bardet et al. della Univ. of South. California per Gifu Univ., Japan)

Accanto a questa costruzione completamente collassata c'e' un edificio in cemento armato che non ha sofferto danni strutturali. Il grande numero di case in legno collassate a seguito del terremoto di Kobe rispetto alle costruzioni in cemento armato ha stupito molti osservatori, poiche' si pensa comunemente che le case in legno resistano meglio agli sforzi di taglio. Le case in c.a. hanno pero' un miglior disegno strutturale e sono state costruite tenendo anche conto della loro maggiore altezza (insomma devono essere state costruite con criteri di ingegneria sismica). Le case in legno hanno inoltre proporzionalmente dei tetti estremamente piu' pesanti.

5th floor collapse
(Kobe Univ.)

Un'altra anomalia del terremoto di Kobe e' rappresentata dall'alto numero di case a piu' piani, costruite circa 20 anni prima, in cui ha collassato il quinto piano. La spiegazione e' semplice, si tratta di sopraelevazioni di edifici preesistenti che erano originalmente di 5 piani.

Collapsed building fronts in street
(Kobe Univ.)

Questa foto illustra l'estremo pericolo rappresentato dal trovarsi in strada durante un terremoto. Segnali stradali, finestre e l'intera facciata di un edificio hanno collassato sulla strada.

Durante un terremoto e' usualmente piu' sicuro rimanere all'interno di un edificio che slanciarsi all'aperto. Per non parlare del pericolo rappresentato dall'utilizzare scale ed ascensori durante una scossa.

Effetti sulle linee di comunicazione

La gran quantita' di detriti e materiali che hanno invaso le strade e' stata una delle coincidenze che hanno reso drammatico il bilancio in vite umane di questo terremoto. Quasi tutte le strade, le ferrovie, il porto e tutte le vie di comunicazione della citta' hanno sofferto ingenti danni strutturali causando inoltre un grosso ritardo nella possibilita' di offire soccorso. La maggior parte delle strade di Kobe erano state costruite 20-30 anni fa prima che le moderne tecniche costruttive prendessero campo.

Failed single-column viaduct
(da un report di J.-P. Bardet et al. della Univ. of South. California per Gifu Univ., Japan)

Questa strada sopraelevata forma un pendolo rovesciato, le colonne di supporto non possono resistere allo scuotimento generato dalle onde di taglio.

Collapsed column
(da un report di J.-P. Bardet et al. della Univ. of South. California per Gifu Univ., Japan)

Il pilastro soprariprodotto mostra un tipico collasso delle piu' vecchie strutture in cemento armato. I ferri (cioe' le aste verticali in acciaio) sostengono il peso della struttura. Durante lo scuotimento causato dal terremoto rivestono una grossa importanza le staffe (l'armatura orizzaontale) che come possimao vedere dalla foto, in questo caso sono sottodimensionate. Ovviamente pilastri piu' resistenti sono piu' costosi.

Toppled elevated highway Truck on toppled highway
(da un report di J.-P. Bardet et al. della Univ. of South. California per Gifu Univ., Japan)

Larghe sezioni dell'arteria principale ("Hanshin Express way") si sono rovesciate. Tale fatto e' accaduto sovente ove la strada attraversava aree con suolo meno consistente e piu' soffice ove lo scuotimento e' stato piu' intenso ed ha inoltre avuto una maggiore durata.

Tracks suspended

Molte strutture poste in posizione elevata sono state semplicemente separate da movimenti differenziali.

Cedimento della strada a causa del collasso della sottostante stazione della metropolitana.

Incendi

La distruzione delle vie di comunicazione e dei sistemi di alimentazione ha impedito ai Vigili del Fuoco di raggiungere le zone invase da incendi scoppiati principalmente a causa della rottura delle condutture del gas.Anche questo fatto ha contribuito ad aumentare il bilancio delle vittime.

(Univ. of Texas)

Nel famoso terremoto di San Francisco del 1906 la maggior parte delle vittime furono a causa di incendi. La citta' decise allora di installare un sistema assolutamente indipendente per fornire di acqua i pompieri, con un proprio bacino idrico. Il terremoto del 1989 ruppe pero' il bacino principale di questo sistema ed in 15 minuti l'intero sistema venne drenato. Fortunatamente la maggior parte degli incendi si sviluppo' vicino alla baia e i vigili del fuoco si attivarono e riuscirono ad utilizzare l'acua della baia stessa. Solo alcuni caseggiati andarono distrutti.

Liquefazione

Il pericolo maggiore per aree soffici e sature in fluidi e' rappresentato dalla liquefazione causata dallo scuotimento sismico. Il terreno incoerente non riesce a sopportare alcun carico e collassa.

Liquefaction at the top of a landslide
(da un report di J.-P. Bardet et al. della Univ. of South. California per Gifu Univ., Japan)

Ecco esempi di frane dovute a liquefazione.

Sandblow vent

Reservoir levee collapsed by liquefaction

Argini, dighe e terrapieni possono liquefarsi e fluire a causa di forti scuotimenti.

Leaning tower

(Kobe Univ.)Buildings founded on liquefied ground will lean or topple.

Liquefaction of port island levee Collapsed crane on port island
(da un report di J.-P. Bardet et al. della Univ. of South. California per Gifu Univ., Japan)

Il porto di Kobe, cotruito su due isole artificiali con materiale relativamente coerente e sciolto soffri' molti casi di liquefazione. Risulto' inagibile per piu' di 2 mesi.

Sunken ground around piled column Even sinking of port island
(da un report di J.-P. Bardet et al. della Univ. of South. California per Gifu Univ., Japan)

Nel porto i fenomeni di subsidenza furono tali da osservare innalzamenti anche dell'ordine del metro. Il ponte in sospensione piu' lungo al mondo, allora in costruzione, soffri fenomeni cosi' pervasivi da risultare completamente danneggiato.