Geol. Andrea Tertulliani

INGV – Sezione Roma1 – Sismologia Tettonofisica

Introduzione

La determinazione della grandezza di un terremoto è notoriamente affidata al calcolo della sua magnitudo, a partire da misure strumentali effettuate con sismometri. Tuttavia non è sempre stato così, ma solo successivamente alla pubblicazione da parte di Richter (1935) del suo lavoro sulla magnitudo strumentale di un terremoto.

Fino ad allora (ma anche ben oltre la fine della seconda guerra mondiale), la stima della grandezza di un terremoto era affidata all’intensità sismica o macrosismica, cioè alla classificazione della forza dello scuotimento derivata in base agli effetti osservati. Le scale di intensità, diffuse dalla seconda metà del 1800, avevano proprio questo scopo: cercare di classificare la forza di un evento sismico sulla base dei loro effetti, classificati in modo proporzionale alla loro severità (Tertulliani, 2019). Nella pratica, allora come oggi, per assegnare un valore di intensità bisogna confrontare il quadro di effetti osservato con quello ideale descritto nei gradi della scala, e assegnare il grado che aderisce maggiormente allo scenario reale.

Le prime scale però avevano un limite, erano ideate dai loro autori all’occorrenza di un singolo terremoto, ed usate unicamente per studiare questo evento. La loro strutturazione, fatta di elementi diagnostici sempre diversi, come pure il numero dei gradi e la loro sequenzialità, non era adatta a “misure ripetibili”. Davison (1921) le chiamò scale “personali o arbitrarie”, perché usate in una sola occasione da parte del loro autore.

La rivoluzione arriva con Michele Stefano De Rossi, il quale progetta una scala che ha come obiettivo il confronto, non arbitrario, di diversi terremoti tra di loro. Nel primo numero del Bullettino del Vulcanismo Italiano (De Rossi, 1874), viene pubblicata per la prima volta la scala sismica a 10 gradi con il suo nome; dal 1883, divenne De Rossi-Forel (Tertulliani, 2019).

Con queste linee guida, la scala sismica di intensità diviene uno strumento di misura vero e proprio per i terremoti.

“Descrivendo il terremoto ne indicherò la forza. Ma acciò i molti epiteti che sogliono esser dati a quel fenomeno non sieno applicati dall’arbitrio degli osservatori, senza potervi fondare un criterio scientifico, ecco i termini che io vado ad adoperare corrispondenti ad un grado speciale dell’intensità sismica rivelata dagli effetti della scossa”.

1 scossa leggerissima – Avvertita soltanto dai sismografi o da un sismologo.

2 debole – Avvertita da più d’uno.

3 leggera – Avvertita da molti.

4 sensibile – Scosse seguite da tremolio di infissi cristalli e soprammobili.

5 mediocre – Avvertita generalmente da moltissimi.

6 forte – Con suono di campanelli, oscillazione di lampade, arresto di orologi.

7 molto forte – Con caduta di calcinacci, suono di campane da torre, strepito.

8 fortissima- Con caduta di fumaioli e lesioni di fabbricati.

9 rovinosa – Con caduta totale o parziale di qualche edificio.

10 disastrosa – Con grandi rovine e vittime.

Scala sismica De Rossi, 1874

La “sfortuna” per De Rossi (non certo per l’Italia di quel periodo) è che lui ebbe a che fare solo con terremoti di moderata intensità, e quindi dopo i disastri di Casamicciola del 1883 e della Liguria occidentale del 1887, Giuseppe Mercalli si rese conto che era necessario aggiustare il tiro riguardo alla capacità di risoluzione della scala De Rossi.

Nello studio del terremoto ligure Taramelli e Mercalli (1888) propongono una nuova scala a dieci gradi, con le seguenti motivazioni:

“Per indicare brevemente l’intensità del terremoto abbiamo adottato una scala sismica convenzionale di 10 gradi. […] Non abbiamo potuto usare della scala De Rossi-Forel, avendola trovata affatto insufficiente nel nostro caso per indicare la graduazione dell’intensità, specialmente per tutta l’area dove questa fu tale da cagionare lesioni negli edifici”.

Mercalli e Taramelli rilevarono che le modalità e la gradualità con cui gli edifici si danneggiavano era più complicata di quanto la scala De Rossi-Forel potesse aiutare a descrivere, per cui suggerirono delle modifiche.

La nuova scala Mercalli a dieci gradi venne approvata dalla Direzione dell’Ufficio Centrale di Meteorologia e Geodinamica di Roma e divenne ufficiale nell’uso dal 1900.

Mercalli suggerì anche quale prassi deve essere usata nella valutazione dell’intensità di una località colpita da un terremoto: “Nel giudicare dell’intensità delle scosse dai loro effetti, bisogna tener calcolo del complesso dei danni e delle rovine più che di qualche fatto isolato, il quale spesso trova la sua ragione nelle condizioni particolari di qualche edificio più che nella intensità della scossa”.

Questa raccomandazione diviene uno dei capisaldi nella consuetudine usata nei rilievi macrosismici.

Da qui in avanti Mercalli è il protagonista assoluto della sismologia italiana, e modificherà più volte la scala fino a definire, dopo il terremoto di Messina e Reggio del 1908, la necessità di una scala a dodici gradi, che comprendesse livelli catastrofici di danneggiamento (XI e XII grado). Dopo altri interventi correttivi dello stesso Mercalli e di Cancani (1904), Sieberg proporrà una nuova versione della scala a dodici gradi, pubblicata e approvata ufficialmente nel 1930 (Sieberg, 1930). Questa scala prenderà il nome, nell’uso comune, di Mercalli-Cancani-Sieberg (MCS).

A questo punto l’evoluzione dalle prime scale di De Rossi e Mercalli, è molto evidente: la scala MCS fa uso di descrizioni degli effetti più dettagliate e inserisce alcune distinzioni tra tipologie edilizie, ancora grossolane, ma evidenti nello scopo.

Dalla MCS, deriveranno altre due scale importanti: la Modified Mercalli Intensity (MMI) usata negli Stati Uniti (Wood e Neumann, 1931) e la Medvedev-Sponhauer-Karnik (MSK64, Medvedev, 1967) usata principalmente nei paesi del blocco di Varsavia e più tardi in tutta Europa.

Quest’ultima scala in particolare introduce le tipologie costruttive e i livelli di danno, suggerendo di utilizzare questi elementi in modo statistico, laddove possibile.

Evoluzione della MSK64 è la EMS, European Macroseismic Scale, approvata in via preliminare nel 1992, e dopo ampia sperimentazione in via definitiva nel 1998. La scala diverrà EMS-98 (Grünthal, 1998; Tertulliani et al., 2019), ed è la scala macrosismica più usata oggigiorno in Europa e altre parte del mondo.

Caratteristiche della EMS-98

Le motivazioni alla base di un aggiornamento della MSK risiedevano nella necessità di avere uno strumento che tenesse conto dell’evoluzione del patrimonio costruito, avvenuta molto rapidamente soprattutto dal secondo dopoguerra. Le tipologie edilizie più diffuse ai tempi di De Rossi, Mercalli o dello stesso Sieberg, sono state nel tempo sostituite da edifici in cemento armato, o addirittura più recentemente, con progettazione antisismica. In buona sostanza la nuova scala intendeva affrontare il gap di rappresentatività tra le vecchie scale ed il nuovo panorama urbanistico europeo, e quindi:

• includere nuovi tipi di edifici, in particolare quelli con caratteristiche antisismiche;
•  soddisfare non solo le necessità dei sismologi, ma anche quelle della comunità ingegneristica;
• essere rinnovata e migliorata nella chiarezza del linguaggio;
• essere dotata di una serie di linee guida per gli utilizzatori.

Per rendere la scala più robusta come strumento d’indagine si è pensato di schematizzare gli elementi principali, quali le tipologie edilizie, suddivise in classi di vulnerabilità (la propensione di un edificio ad essere danneggiato) (fig. 1), e il danno agli edifici, classificato in gradi (figg. 2 e 3).

A queste caratteristiche si accompagnano le quantità relative, definite in modo abbastanza sfumato con degli aggettivi (pochi, molti, la maggior parte) che richiamano tre intervalli di percentuali (0%-20%, 20%-60%, 60%-100%) (fig 4).

Sappiamo bene che qualsiasi classificazione e tentazione rigidamente statistica si scontra con la difficoltà, per qualsiasi scala, di includere o rappresentare tutti i diagnostici possibili per un dato livello di scuotimento; dobbiamo quindi avere la consapevolezza che la scala è il miglior compromesso tra la rappresentazione di uno scenario tipico dovuto ad un terremoto e la realtà osservata in una località.

Come si vede dagli schemi (fig. 1), la scala EMS-98 propone quattro grandi tipologie edilizie, muratura, cemento armato (CA), acciaio e legno. Queste ultime due sono poco diffuse in Italia, e quindi statisticamente poco probanti. Ogni tipologia è suddivisa in tipi di struttura, cui vengono associate le classi di vulnerabilità, da A più alta a F più resistente. Come si nota dalla tabella ad ogni classe di vulnerabilità è associata un’incertezza, ad indicare la probabilità che un edificio, di una data classe di vulnerabilità, possa cambiare di classe a seconda di alcune caratteristiche costruttive che ne diminuiscano o accentuino la resistenza sismica.

Per quanto riguarda il danno, cioè la modalità di un edificio di deformarsi sotto l’input sismico, la scala considera separatamente gli edifici in muratura da quelli in CA. (figg. 2 e 3). I gradi di danno sono 5, da 0, non danneggiato, a 5 collasso totale o pressoché totale.

Nel definire il grado di intensità si dovrà tener conto dell’insieme dei diagnostici osservati in una data località, che abbia una identità geografica definita: sia quindi un insediamento non troppo piccolo (almeno alcune decine di edifici) o non troppo grande (una media città europea), citano le linee guida della scala. I casi diversi andranno trattati in modo particolare: una grande città potrà essere divisa in settori, un insediamento piccolissimo potrà anche essere ignorato o accorpato ad uno vicino più significativo. Questo perché il concetto di intensità ruota intorno all’idea che in un luogo colpito da un terremoto si manifestino degli effetti che siano tipici per ogni livello di scuotimento, e questo comporta la necessità di avere un campione che sia statisticamente significativo, e che escluda eventuali particolarità.

Per effettuare un rilievo macrosismico sul terreno dovremo tener conto della severità della situazione: in caso di località non danneggiate, o di terremoti lievi o moderati, l’indagine avrà come obiettivo quello di raccogliere informazioni sui cosiddetti “effetti transitori”, cioè su come è stato avvertito il terremoto dalle persone, che effetti ha avuto sugli oggetti. Per fare ciò si usano tradizionalmente dei questionari che vengono somministrati alla popolazione coinvolta, dove sono indicati gli elementi diagnostici della scala. Per una valutazione più robusta dello scenario è bene affidarsi al maggior numero possibile di interviste. Questo tipo di indagine è adatta e necessaria per livelli dello scuotimento con intensità inferiore al VI grado.  Anche in casi come questo è bene sempre avere come riferimento il suggerimento di Mercalli: l’intensità tiene conto del complesso degli effetti e non di singoli o particolari accadimenti. Qui di seguito la definizione dei gradi fino al V:

I. Non avvertito

a)  Non avvertito, anche sotto le circostanze più favorevoli.

b)  Nessun effetto.

c)  Nessun danno.

II. Poco avvertito

a)  Il tremore è avvertito solo in particolari circostanze isolate (< 1%) da individui a riposo e in posizioni particolarmente ricettive all’interno.

b)  Nessun effetto.

c)  Nessun danno.

III. Debole

a)  Il terremoto è avvertito all’interno da poche persone. Persone a riposo avvertono una oscillazione o leggero tremore.

b)  Oggetti appesi oscillano leggermente.

c)  Nessun danno.

IV. Ampiamente avvertito

a)  All’interno il terremoto è avvertito da molti, all’esterno solo da (molto) pochi. Poche persone vengono svegliate. Il livello della vibrazione non spaventa. La vibrazione è moderata. Osservatori avvertono un leggero tremore o oscillazione dell’edificio, stanza o letto, sedia ecc.

b)  Oggetti in porcellana, bicchieri, finestre e porte tremano. Oggetti appesi dondolano. In alcuni casi la mobilia leggera trema visibilmente. In alcuni casi i manufatti in legno scricchiolano.

c)  Nessun danno.

V. Forte

a)  All’interno il terremoto è avvertito dalla maggior parte, all’esterno da pochi. Alcune persone sono spaventate e corrono all’esterno. Molte persone che dormono si svegliano. Osservatori avvertono una forte scossa oun dondolio dell’intero edificio, stanza o mobilia.

b)  Gli oggetti appesi oscillano considerevolmente. Porcellane e vetri tintinnano. Piccoli oggetti pesanti e/o su un supporto in equilibrio precario potrebbero essere spostati o cadere. Porte e finestre si spalancano o sbattono. In alcuni casi i vetri delle finestre si rompono. I liquidi oscillano e potrebbero versarsi da contenitori ben riempiti. Gli animali in casa potrebbero agitarsi.

c)  Danni di grado 1 ad alcuni edifici di classi di vulnerabilità A e B.

Il caso di una località danneggiata il rilievo viene affrontato in modo più complesso: per ottenere un quadro che sia statisticamente significativo bisognerà (nei limiti del possibile) raccogliere le informazioni relative ai diagnostici descritti in precedenza, e cioè tipologie edilizie, classi di vulnerabilità e per ciascuna classe di vulnerabilità, la distribuzione in gradi di danno.

Nella pratica gli operatori dovranno riconoscere e classificare, all’interno di un centro abitato, gli edifici per la loro classe di vulnerabilità, ed associare loro un grado di danno. Al termine del rilievo si otterrà un quadro statistico composto dalle quantità di edifici rilevati, distinti per classe di vulnerabilità e grado di danno. Questo scenario verrà confrontato con il quadro ideale espresso nei diversi gradi della scala. Qui di seguito la definizione dei gradi fino dal VI al XII:

VI. Leggermente dannoso

a)  Avvertito dalla maggior parte delle persone all’interno, da molte all’esterno. Alcune persone perdono l’equilibrio. Molti si spaventano e corrono all’esterno.

b)  Piccoli oggetti normalmente stabili potrebbero cadere; e mobili potrebbero muoversi. In pochi casi piatti e oggetti di vetro si potrebbero rompere. Animali domestici potrebbero essere spaventati (anche all’esterno).

c)  Danni di grado 1 sostenuti da molti edifici di classi di vulnerabilità A e B; alcuni di classe A e B soffrono danni di grado 2; alcuni di classe C soffrono danni di grado 1.

VII. Dannoso

a)  La maggior parte delle persone è spaventata e cerca di correre all’esterno. Molti non riescono a stare in piedi, specialmente ai piani alti.

b)  I mobili si spostano e quelli meno stabili potrebbero cadere. Molti oggetti cadono dagli scaffali. L’acqua schizza fuori da contenitori, cisterne e piscine.

c)  Molti edifici di classe di vulnerabilità A subiscono danni di grado 3; pochi di grado 4.

      Molti edifici di classe di vulnerabilità B subiscono danni di grado 2; pochi di grado 3.

      Pochi edifici di classe di vulnerabilità C subiscono danni di grado 2.

      Pochi edifici di classe di vulnerabilità D subiscono danni di grado 1.

VIII. Fortemente Dannoso

a)  Molti non riescono a stare in piedi persino all’aperto.

b)  I mobili potrebbero rovesciarsi. Oggetti come televisori, macchine da scrivereecc. cadono a terra. Lapidi potrebbero occasionalmente essere spostate, girate o capovolte. Potrebbero apparire ondulazioni su terreni soffici.

c)  Molti edifici di classe di vulnerabilità A subiscono danni di grado 4; pochi di grado 5.

      Molti edifici di classe di vulnerabilità B subiscono danni di grado 3; pochi di grado 4.

      Molti edifici di classe di vulnerabilità C subiscono danni di grado 2; pochi di grado 3.

      Pochi edifici di classe di vulnerabilità D subiscono danni di grado 2.

IX. Distruttivo

a)  Panico generale. Persone potrebbero venire scaraventate a terra.

b)  Molti monumenti e colonne cadono o si girano. Si osservano ondulazioni su terreni morbidi.

c)  Molti edifici di classe di vulnerabilità A subiscono danni di grado 5.

       Molti edifici di classe di vulnerabilità B subiscono danni di grado 4; pochi di grado 5.

       Molti edifici di classe di vulnerabilità C subiscono danni di grado 3; pochi di grado 4.

       Molti edifici di classe di vulnerabilità D subiscono danni di grado 2; pochi di grado 3.

       Pochi edifici di classe di vulnerabilità E subiscono danni di grado 2.

X. Molto Distruttivo

c)  La maggior parte degli edifici di classe di vulnerabilità A subiscono danni di grado 5.

       Molti edifici di classe di vulnerabilità B subiscono danni di grado 5.

       Molti edifici di classe di vulnerabilità C subiscono danni di grado 4; pochi di grado 5.

       Molti edifici di classe di vulnerabilità D subiscono danni di grado 3; pochi di grado 4.

       Molti edifici di classe di vulnerabilità E subiscono danni di grado 2; pochi di grado 3.

       Pochi edifici di classe di vulnerabilità F subiscono danni di grado 2.

XI. Devastante

c)  La maggior parte degli edifici di classe di vulnerabilità B subiscono danni di grado 5.

       La maggior parte degli edifici di classe di vulnerabilità C subiscono danni di grado 4;       pochi molti di grado 5.

       Molti edifici di classe di vulnerabilità D subiscono danni di grado 4; pochi di grado 5.

       Molti edifici di classe di vulnerabilità E subiscono danni di grado 3; pochi di grado 4.

       Molti edifici di classe di vulnerabilità F subiscono danni di grado 2; pochi di grado 3.

XII. Completamente devastante

c)  Tutti gli edifici di classe di vulnerabilità A, B e praticamente tutti quelli di classe di vulnerabilità C vengono distrutti. La maggior parte degli edifici di classe di vulnerabilità D, E e F vengono distrutti.

 Gli effetti del terremoto hanno raggiunto i massimi risultati concepibili.

Per concludere questa rapida esposizione sui metodi macrosismici e sulla scala EMS-98 in particolare, si mostrano alcuni esempi di valutazione della classe di vulnerabilità e grado di danno (figure 5a, 5b, 5c).

Il successo recente della scala EMS-98 nell’ambito delle comunità sismologica e dell’ingegneria sismica italiane è evidenziato oltre che dalla diffusione dell’utilizzo nel corso degli ultimi terremoti, anche dal riferimento che ne viene fatto nelle linee guida per i rilevatori di agibilità post-sisma (schede AeDES) e nelle norme tecniche del recente Sismabonus.

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