Come l'11 settembre ha cambiato le norme per costruire i grattacieli

Il crollo delle due torri del World Trade Center e dell'edificio WTC 7, l'11 settembre 2001, uccise 2.749 persone. Fra loro c'erano oltre 400 soccorritori, la più grave perdita mai subita da questa categoria in un singolo evento. Sul piano tecnico quella giornata aprì una questione che nessun codice di costruzione occidentale aveva mai affrontato in modo esplicito, cioè cosa accade a un edificio alto quando l'impatto meccanico, l'incendio su più piani e la perdita dei sistemi di protezione attiva si presentano insieme. La risposta arrivò in forma di norme, e ci vollero sette anni.

Le modifiche entrate nei codici statunitensi tra il 2004 e il 2009 riguardano scale, ascensori, rivestimenti antincendio, resistenza al fuoco del telaio strutturale, comunicazioni radio dei vigili del fuoco. Non riguardano la resistenza all'impatto di un aereo di linea, e su questo punto la confusione è ancora diffusa.

Punti chiave

• Il crollo del World Trade Center causò 2.749 morti, di cui oltre 400 fra i soccorritori, la perdita più grave mai subita da questa categoria in un singolo evento.

• Il National Construction Safety Team Act del 2002 assegnò per la prima volta al NIST il potere di indagare sui crolli edilizi, con 16 milioni di dollari stanziati dal Congresso.

• L'indagine produsse 47 rapporti per circa 11.000 pagine e si chiuse con 31 raccomandazioni, 30 sulle torri e una aggiunta dopo lo studio sul WTC 7.

• L'International Code Council approvò 23 modifiche ai codici nel settembre 2008, fra cui la terza scala oltre i 420 piedi, la larghezza di esodo aumentata del 50 per cento e l'aderenza dei rivestimenti antincendio moltiplicata fino a sette volte.

• Nove proposte furono respinte, comprese quelle sul collasso progressivo e sulla resistenza al fuoco fino all'esaurimento del carico di incendio.

• In Italia la robustezza strutturale è richiesta dal paragrafo 2.2.5 delle NTC 2018 come requisito prestazionale, senza le prescrizioni dimensionali adottate negli Stati Uniti.

Prima delle norme serviva una legge per poter indagare

Nell'autunno del 2001 nessuna agenzia federale statunitense aveva l'autorità per condurre un'indagine tecnica su un crollo edilizio. Il National Institute of Standards and Technology, che pure aveva una storia di studi sui disastri costruttivi risalente agli uragani della fine degli anni Sessanta e al crollo della passerella dell'Hyatt Regency di Kansas City nel 1981, poteva intervenire solo su invito. Dopo una serie di audizioni al Congresso venne approvato il National Construction Safety Team Act del 2002, che per la prima volta assegnò al NIST poteri investigativi su qualunque cedimento strutturale con perdita sostanziale di vite umane. Il Congresso stanziò 16 milioni di dollari nell'ambito di un provvedimento di emergenza per l'anno fiscale 2002.

La scelta legislativa conta più di quanto sembri. Negli Stati Uniti il governo federale non ha potestà regolatoria sui codici edilizi, che restano competenza degli enti normatori privati e delle amministrazioni statali e locali. Il NIST poteva quindi produrre raccomandazioni, non prescrizioni. Che quelle raccomandazioni siano state recepite in meno di cinque anni resta un caso raro di velocità normativa.

L'indagine più grande mai condotta su un crollo edilizio

Il gruppo di lavoro contava circa 85 dipendenti NIST e superava le 200 persone considerando ricercatori esterni, industria e università. L'analisi si basò su 236 componenti strutturali in acciaio recuperati, circa 7.000 segmenti video, oltre 7.000 fotografie, i resoconti di evacuazione di 400 superstiti e la documentazione di progetto, costruzione e manutenzione dei tre edifici. Furono intervistati più di mille occupanti sopravvissuti e 116 soccorritori, questi ultimi per ricostruire protocolli operativi e comportamento delle comunicazioni radio in un ambiente elettromagnetico ostile.

La ricostruzione fisica dei crolli venne affidata a simulazioni numeriche che integravano impatto dell'aereo e dei detriti, propagazione dell'incendio alimentato dal carburante, indebolimento termico degli elementi strutturali con protezione intatta o distaccata, risposta globale della struttura. Con le risorse di calcolo dell'epoca una singola simulazione completa richiedeva circa due mesi per una delle torri e otto mesi per il WTC 7. Il risultato finale furono 47 rapporti per circa 11.000 pagine complessive.

Trentuno raccomandazioni distribuite su otto aree

Il rapporto sulle torri, pubblicato nel 2005, conteneva 30 raccomandazioni; l'indagine sul WTC 7, chiusa nel 2008, ne aggiunse una nuova portando il totale a 31. Le aree individuate erano otto, e coprivano l'integrità strutturale, la resistenza al fuoco delle strutture, i metodi di progettazione strutturale antincendio, la protezione attiva, l'evacuazione degli edifici, la risposta dell'emergenza, le procedure e pratiche costruttive, la formazione.

Quello che le raccomandazioni non chiedevano

Nessuna delle 31 raccomandazioni chiede di progettare edifici capaci di resistere all'urto di un aereo di linea. Shyam Sunder, che guidò l'indagine, ha scritto in modo esplicito che quella non era la strada e che conviene piuttosto tenere i terroristi lontani dagli aerei e gli aerei lontani dagli edifici. La distinzione è tecnica prima che politica, perché un edificio civile progettato per assorbire quel livello di energia cinetica avrebbe dimensioni e costi fuori scala rispetto a qualunque criterio di rischio accettabile.

Le ventitré modifiche approvate nel 2008

Alle udienze finali dell'International Code Council tenute a Minneapolis dal 15 al 21 settembre 2008 vennero approvate 23 modifiche ai codici modello, destinate all'edizione 2009 dell'International Building Code e dell'International Fire Code. L'elenco completo delle modifiche accolte e di quelle respinte è pubblicato nel comunicato con cui il NIST ha illustrato le nuove regole per gli edifici alti, e vale la pena leggerlo per capire quanto siano puntuali.

Vie di esodo, scale, ascensori

Gli edifici oltre i 420 piedi, circa 128 metri, devono avere una terza scala di emergenza. La larghezza delle scale di esodo negli edifici nuovi dotati di sprinkler aumenta del 50 per cento. Gli ascensori possono essere impiegati per l'evacuazione degli occupanti in tutti gli edifici, e negli edifici oltre i 420 piedi possono sostituire la scala aggiuntiva purché rispettino requisiti specifici. Le scale e i vani ascensore vanno protetti con compartimentazioni rinforzate sopra i 420 piedi, e anche fra i 75 e i 420 piedi quando il cedimento del vano metterebbe seriamente a rischio la vita delle persone.

Compare inoltre un criterio geometrico di separazione delle uscite. Le scale di esodo devono distare fra loro almeno 9 metri oppure un quarto della diagonale massima del piano, adottando il valore minore fra i due. Sopra i 120 piedi, circa 37 metri, è obbligatorio almeno un ascensore di soccorso riservato ai vigili del fuoco, con atrio di almeno 150 piedi quadrati e lato minimo di 8 piedi, da mantenere libero da qualunque deposito.

Il capitolo dei rivestimenti protettivi

La parte più tecnica riguarda il fireproofing, cioè i rivestimenti spruzzati che proteggono l'acciaio strutturale. Il NIST aveva documentato quanto il distacco di quel materiale pesasse sulla sequenza di collasso, e la risposta normativa è stata quantitativa. L'aderenza richiesta al supporto cresce di circa tre volte per gli edifici fra i 75 e i 420 piedi e di sette volte per quelli oltre i 420 piedi.

Alle soglie numeriche si aggiungono obblighi di posa e controllo. L'installazione deve seguire le istruzioni del produttore, i supporti devono essere puliti e privi di condizioni che impediscano l'adesione, le superfici verniciate o trattate richiedono prove che dimostrino il mantenimento dell'aderenza, il rivestimento finito non deve presentare fessure, vuoti, distacchi o zone di acciaio scoperto. Le ispezioni speciali in cantiere verificano spessore, densità e forza di aderenza e vanno eseguite dopo l'installazione grezza di impianti meccanici, elettrici, idraulici, sprinkler e controsoffitti.

Resistenza al fuoco del telaio

Per gli edifici oltre i 420 piedi la classe di resistenza al fuoco di componenti e assemblaggi strutturali sale di un'ora. Viene adottato in modo esplicito l'approccio del telaio strutturale primario, per cui tutti gli elementi del telaio devono avere la classe di resistenza più alta normalmente richiesta ai pilastri, e la definizione di telaio primario si allarga fino a includere gli elementi di controvento essenziali alla stabilità verticale anche quando non portano carichi gravitazionali. Sopra i 420 piedi ogni zona sprinkler deve essere alimentata da almeno due colonne montanti indipendenti, collocate in vani scala distanti fra loro, ciascuna a servizio di piani alterni.

Le nove proposte che non passarono

Nove proposte coerenti con le raccomandazioni NIST vennero respinte per l'edizione 2009 dei codici. Fra queste c'era l'obbligo, per gli edifici oltre i 420 piedi, di sopravvivere al completo esaurimento del carico di incendio senza cedimenti del telaio oltre quelli locali, e l'obbligo generale di evitare un collasso sproporzionato rispetto a un cedimento locale iniziale. Furono bocciate anche la richiesta di una valutazione del rischio per gli edifici oltre i 420 piedi con più di 5.000 occupanti, l'adozione di uno standard nazionale per le prove in galleria del vento, il limite di 50 piedi alla lunghezza dei corridoi di trasferimento orizzontale nelle scale e i sistemi di comunicazione e monitoraggio ogni cinque piani nei vani scala.

Il dato interessante è quale famiglia di proposte sia caduta. Le prescrizioni misurabili su scale, ascensori e rivestimenti sono passate; i requisiti prestazionali sul comportamento globale della struttura, quelli che avrebbero richiesto analisi di collasso progressivo caso per caso, sono stati rinviati. Chi progetta oggi in acciaio conosce bene questa asimmetria.

New York si mosse prima dei codici modello

Il Department of Buildings di New York convocò la World Trade Center Building Code Task Force nel marzo 2002, con un comitato esecutivo che comprendeva il dipartimento, i vigili del fuoco cittadini e rappresentanti del mondo del lavoro, della progettazione e del settore immobiliare, articolato in cinque gruppi di lavoro su resistenza strutturale, evacuazione di emergenza, protezione antincendio, impianti meccanici e operatività del dipartimento. Nel febbraio 2003 la task force pubblicò 21 raccomandazioni.

Una di queste chiedeva che gli edifici per uffici esistenti alti almeno 100 piedi e privi di impianto sprinkler ne installassero uno esteso a tutto l'edificio entro quindici anni. La raccomandazione diventò la Local Law 26, firmata dal sindaco il 24 giugno 2004, con relazioni di avanzamento obbligatorie e scadenza finale fissata al 1 luglio 2019, come ricostruisce la testimonianza depositata dal Department of Buildings sugli impianti sprinkler negli edifici alti. La stessa legge introdusse le marcature fotoluminescenti lungo i percorsi di esodo, pensate per funzionare quando l'alimentazione elettrica manca e il fumo annulla la visibilità.

Il WTC 7 e la dilatazione termica

L'indagine sul terzo edificio crollato quel giorno arrivò più tardi e portò l'unica raccomandazione nuova rispetto al rapporto sulle torri. Secondo il NIST il riscaldamento di travi e traversi provocò il cedimento di un pilastro, il numero 79, innescando un collasso progressivo indotto dall'incendio. Il punto rilevante per la progettazione è che la dilatazione termica dei solai a grande luce diventò determinante a temperature molto inferiori a quelle normalmente considerate nella pratica corrente per le classi di resistenza al fuoco.

La raccomandazione aggiunta chiede la verifica esplicita della resistenza al fuoco dei sistemi strutturali sotto incendi di progetto nelle condizioni peggiori, ipotizzando che i sistemi di protezione attiva siano inefficaci. I casi indicati come critici sono i solai a grande luce, i collegamenti non progettati per gli effetti termici, gli orditi asimmetrici e i solai composti. Il WTC 7 usava uno schema strutturale allora diffusissimo, e questa è la ragione per cui la raccomandazione riguarda un patrimonio edilizio molto ampio e non un caso isolato. Un confronto con come vengono modellati oggi gli incendi di progetto negli edifici alti aiuta a misurare la distanza percorsa.

In Europa la robustezza ha un'altra genealogia

Il quadro europeo non discende dall'11 settembre. La norma EN 1991-1-7, pubblicata nel 2006 e dedicata alle azioni eccezionali, definisce la robustezza come la capacità di una struttura di resistere a eventi quali incendio, esplosioni, urti o conseguenze di errori umani senza subire danni sproporzionati rispetto alla causa che li ha generati. È una impostazione che nasce dalla tradizione delle azioni accidentali e dei cedimenti localizzati, non dalla minaccia terroristica.

In Italia il requisito compare al paragrafo 2.2.5 delle Norme tecniche per le costruzioni del 2018, dove la robustezza è definita come capacità di evitare danni sproporzionati rispetto all'entità di possibili cause innescanti quali esplosioni o urti. Le NTC elencano strategie alternative per conseguirla, dalla progettazione per azioni eccezionali convenzionali alla scelta di tipologie strutturali poco sensibili o capaci di tollerare il danneggiamento localizzato, fino alla ridondanza e alla duttilità diffusa. La Circolare esplicativa del gennaio 2019 precisa che la progettazione condotta secondo le NTC, tenuto conto dei criteri sismici, garantisce in generale livelli di robustezza ritenuti soddisfacenti, e che il livello va incrementato con strategie motivate solo per costruzioni di particolare importanza o complessità.

La differenza di impostazione è sostanziale. Il percorso statunitense ha prodotto prescrizioni numeriche vincolate all'altezza dell'edificio, quello europeo un requisito prestazionale affidato al giudizio del progettista e alla classe di conseguenza. Un edificio alto italiano progettato secondo le NTC non ha per legge una terza scala o un ascensore di soccorso dedicato per il solo fatto di superare i 128 metri.

Un archivio che resta chiuso

C'è un capitolo dell'indagine NIST che non è mai diventato pubblico. I file di input dei modelli di connessione validati sulle evidenze reali sono stati sottratti alla divulgazione in base alla sezione 7d del National Construction Safety Team Act, con la motivazione che quei modelli sono abbastanza dettagliati da permettere di prevedere il collasso di un edificio e quindi di pianificare la distruzione di strutture costruite in modo simile. La scelta è stata confermata nel 2011 dalla Corte distrettuale del Distretto di Columbia nel procedimento Quick contro Department of Commerce. È una delle poche circostanze in cui la conoscenza strutturale prodotta da un'indagine pubblica è stata classificata come rischio di sicurezza in sé.

Domande frequenti

Quali norme di costruzione sono cambiate dopo l'11 settembre?

Negli Stati Uniti sono cambiati l'International Building Code e l'International Fire Code, con 23 modifiche approvate nel 2008 ed entrate nell'edizione 2009, più aggiornamenti agli standard NFPA, ASCE 7 e ASME A17. Riguardano scale di esodo, ascensori di soccorso, rivestimenti antincendio, resistenza al fuoco del telaio strutturale e comunicazioni radio dei soccorritori.

Gli edifici alti oggi resistono all'impatto di un aereo?

No, e nessuna raccomandazione del NIST lo ha mai richiesto. Shyam Sunder, responsabile dell'indagine, ha spiegato che progettare edifici civili per quel livello di energia non era l'obiettivo, e che la strada corretta passa dalla sicurezza aerea. Le norme introdotte mirano a garantire evacuazione, resistenza al fuoco e operatività dei soccorsi, non l'assorbimento di un urto aereo.

Che cosa prevede la Local Law 26 di New York dopo l'11 settembre?

Firmata il 24 giugno 2004, recepisce le raccomandazioni della World Trade Center Building Code Task Force del Department of Buildings. Impone agli edifici per uffici esistenti di almeno 100 piedi di altezza l'installazione di impianti sprinkler su tutto l'edificio, con scadenza fissata al 1 luglio 2019, e introduce marcature fotoluminescenti lungo i percorsi di esodo.

Perché è crollato il WTC 7 secondo l'indagine ufficiale?

Il NIST attribuisce il crollo a un collasso progressivo innescato dall'incendio. Il riscaldamento di travi e traversi provocò il cedimento del pilastro 79, con la dilatazione termica dei solai a grande luce determinante a temperature molto più basse di quelle considerate nella pratica per le classi di resistenza al fuoco. Le simulazioni escludono il ruolo di esplosivi.

La normativa italiana ha recepito le raccomandazioni post 11 settembre?

Non in forma diretta. Le Norme tecniche per le costruzioni del 2018 chiedono al paragrafo 2.2.5 un adeguato livello di robustezza strutturale, definito come capacità di evitare danni sproporzionati rispetto a cause innescanti quali esplosioni o urti, in continuità con la EN 1991-1-7 del 2006. È un requisito prestazionale, privo delle soglie dimensionali statunitensi.

Che cosa significa collasso progressivo in ingegneria strutturale?

Indica la propagazione di un danno locale iniziale da un elemento all'altro fino al cedimento dell'intera struttura o di una parte sproporzionata rispetto alla causa. Le proposte per imporne la verifica nei codici statunitensi furono respinte nel 2008, mentre in Europa il tema rientra nel requisito di robustezza della EN 1991-1-7 e delle NTC 2018.