Sistemi di mitigazione del rischio sismico

Sistemi di mitigazione del rischio sismico
L’esperienza anti-sismica in Giappone
Ing. Luca Poni
Arch. Tadaki Ichimiya, presidente di VIA (View International Architecture Office), Osaka, Giappone.
ABSTRACT
Il Giappone è una delle nazioni più frequentemente colpite dai terremoti, per questo siamo
all’avanguardia nella ricerca sismica. L’intenzione di questa breve relazione è quella di
illustrare i punti di vista del Giappone sulle tecnologie di resistenza sismica, tra le quali si
citano brevemente i meccanismi quake-resistant, base-isolation, vibration-damping,
introducendo inoltre l’argomento dell’adeguamento sismico delle strutture esistenti.
In questi campi le abilità dei progettisti giapponesi sono aggiornate agli ultimi standard e le
nostre conoscenze sono messe a disposizione dell’edilizia grazie alle più innovative e efficienti
tecnologie.
INTRODUZIONE ALLA NORMATIVA ANTISISMICA GIAPPONESE
In Giappone, dopo la revisione della normativa antisismica avvenuta nel 1981, le norme di
progettazione sono divenute più restrittive. La normativa antisismica in vigore impone che
tutte le costruzioni debbano essere in grado di sopportare vibrazioni sismiche di scala 6 o
maggiore (rif.: Il riferimento JMA Seismic Intensity scale).
Questo nuovo codice anti-sismico è stato pensato per evitare l’insorgenza di danni alla
struttura dell’edificio durante un terremoto di media intensità e per evitare il crollo
dell’edificio in presenza di un terremoto di forte intensità - il quale potrebbe causare il
decesso di molte vite umane a causa della totale o parziale rottura degli elementi portanti
della struttura.
Gli edifici progettati nel 1981 o successivamente (che osservano dunque i nuovi criteri di
resistenza sismica) sono in grado di non collassare persino in presenza di danni quali rotture
di colonne/travi, e rigonfiamenti o ritiri del calcestruzzo.
Una ricerca fatta nel 2015 sostiene che il 45% delle costruzioni costruite precedentemente al
1981 rispetta i criteri anti-sismici attuali. Il restante 55% è stato progettato seguendo
standard antisismici obsoleti. La maggior parte degli edifici che sono crollati o hanno subito
danni durante il Grande Terremoto Hanshin-Awaji sono stati progettati seguendo criteri
antisismici non adeguati agli standard odierni.
Dall’indagine svolta si è dedotto che il grande terremoto avvenuto ad Hanshin-Awaji nel 1995
ha causato notevoli danni agli edifici costruiti antecedentemente al 1981, mentre gli edifici
costruiti con i nuovi criteri anti-sismici hanno ben resistito, subendo lievi danneggiamenti.
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Oggi i proprietari degli edifici sono dunque invitati ad eseguire la diagnosi e l’adeguamento
sismico dei propri edifici (rif.: Il riferimento Performance-Based Seismic Design Code for
Buildings in Japan).
I TERREMOTI IN GIAPPONE
Di seguito si riportano i terremoti recenti che hanno colpito il Giappone (dopo il 1995)
Grande terremoto di Hanshin-Awaji (17 gennaio 2015)
C’è da premettere che nella città di Kobe sono concentrati 3,5 milioni di abitanti, dunque si
tratta di un’area ad alta densità abitativa. Il terremoto che ha colpito questa area è avvenuto al
di sotto del tessuto residenziale urbano e la profondità dell’ ipocentro è stata di 16 km. Anche
se questo terremoto è stato relativamente superficiale, ha causato una grande distorsione
della faglia. Vi sono state interruzioni di elettricità, acqua, gas, e tutte le arterie di viabilità
sono stati danneggiate, così come le ferrovie, le metropolitane e gli altri mezzi di trasporto
pubblico. Le costruzioni in legno che caratterizzavano il tessuto edilizio di questa area così
densamente abitata hanno preso fuoco e molte persone sono rimaste uccise dagli effetti
secondari del sisma.
Magnitudo:
7,3
Decessi:
6.346
Feriti:
43.792
Edifici crollati:
1.004.906
Costo dei danni:
> 90 miliardi di €
Terremoto di Niigata Chuetsu (23 Ottobre 2004)
Nove anni dopo il grande sisma che ha investito l’area attorno alla città di Kobe (HanshinHawaji) si è registrato in Giappone un altro sisma di intensità sismica pari a 7. Più di 3 milioni
di abitazioni sono crollate e alcuni incendi si sono propagati nel tessuto densamente abitato.
Fortunatamente la conta dei danni è stata limitata grazie al fatto che il sisma è avvenuto in
un’area montana, dove la popolazione era relativamente numerosa. Siccome la prefettura di
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Niigata durante l’inverno è soggetta a forti nevicate, le abitazioni erano state progettate per
sopportare grandi carichi di neve e la popolazione era inoltre ben preparata dopo il sisma
Hanshin-Hawaji. Per questi motivi la conta dei danni è stata limitata.
Magnitudo:
6,8
Decessi:
68
Feriti:
4.805
Edifici crollati:
3.175
Costo dei danni:
～26 miliardi di €
Grande terremoto dell’ EST del Giappone con tsunami (11 Marzo 2011)
A differenza di quanto successo nei precedenti 2 sismi, Hanshin-Awaji o Niigara, questo
terremoto di subduzione è avvenuto nella zona di confine della placca tettonica asiatica.
Poiché generatosi nell’Oceano Pacifico, l’enorme danno causato all’area attorno alla città di
Fukushima è stato provocato prevalentemente dallo tsunami. Da notare il fatto che, anche se
l’epicentro si trovava nel Nord Est del Giappone, questo sisma ha coinvolto persino l’area del
Kanto attorno alla capitale Tokyo.
Anche in questo caso tutti i sistemi di viabilità sono stati danneggiati e i sistemi di
comunicazione interrotti. Infine, come è noto a tutti dai fatti di cronaca, nell’impianto nucleare
primario di Fukushima sono ancora in corso il ripristino e la bonifica - dopo un arco di tempo
di 5 anni dal sisma.
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Magnitudo:
9,0
Decessi:
19.418
Feriti:
6.220
Edifici crollati:
121.809
Costo dei danni:
～150 miliardi di €
Terremoto di Kumamoto (Foreshock: 14 Aprile 2016) (Mainshock: 16 Aprile 2016)
Il terremoto di Kumamoto è avvenuto a causa di una grande distorsione della faglia e del suo
scorrimento, proprio come il terremoto di Hanshin-Awaji del 1995.
Entrambi il foreshock ed il mainshock hanno registrato un’intensità sismica pari a 7. Questo è
stato un sisma straordinario: sia la Japan Meteorological Agency, che gli esperti sostengono
che in passato due scosse di grande intensità così ravvicinate non si erano mai verificate.
Questo sisma ha coinvolto 1.500 edifici, ma solo 50 persone sono decedute perché
fortunatamente è avvenuto in un area rurale.
Magnitudo:
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Foreshock 6,4 Aftershock 7,1
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Decessi:
50
Feriti:
1.117
Edifici crollati:
1.553
Costo dei danni:
～40 miliardi di €
COME PROCEDE IL GOVERNO GIAPPONESE ALLA RICOSTRUZIONE
Qui di seguito si riporta il workflow delle misure intraprese dal governo giapponese in caso di
sisma.
- Subito dopo il sisma.
1. Indagine di emergenza sui danni
2. Rilievi in situ e predisposizione alloggi di emergenza
• Supporto fisico e psicologico alla popolazione
• Disposizione di sistemazioni temporanee
3. Soccorsi medici
• Trasporto dei feriti in enti di soccorso medico
• Raccolta di personale medico qualificato pronto all’intervento
4. Cibo e misure di rifornimenti
5. Allestimento di alloggi temporanei (prefabbricati) e rifugi
6. Installazione di servizi igienici temporanei
7. Misure a tutela dell’igiene e della salute della popolazione
8. Misure a tutela della circolazione - soluzioni per evitare il congestionamento del
traffico
9. Forniture di combustibile
10. Soccorso agli sfollati e agli altri cittadini interessati dall’evento
11. Raccolta dei detriti
12. Cremazione/sepoltura delle vittime
13. Misure di prevenzione disastro secondarie
14. Misure di prevenzione del crimine (furti, rapine, violenze, stupri, ecc.)
- Qualche settimana/mese dopo il sisma
15. Assistenza psicologica alla popolazione
16. Ricostruzione di abitazioni e attrezzature
17. Ripristino di linee vita e infrastrutture
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18. Mezzi di finanziamento (fondi per la popolazione coinvolta dal sisma, creazione di enti
ad hoc)
19. Ricostruzione economica del governo locale
20. Supporto all’impiego/lavoro
Costi approssimativi di ricostruzione per un’area coinvolta da un sisma
Gli esempi mostrati precedentemente possono aiutare a capire i costi sostenuti dal Governo
Giapponese per ripristinare le aree coinvolte da questi disastri naturali.
Se prendiamo ad esempio il Terremoto dell’EST del Giappone con tsunami del 2011 può
essere interessante analizzare le voci dei costi dei costi di ricostruzione.
Dopo il Grande terremoto dell’EST del Giappone, avvenuto nell’ 11 Marzo 2011, il Governo
Giapponese ha rapidamente proceduto alla stima dei budget, modificato alcune leggi e
normative, istituito inoltre una ”Agenzia per la Ricostruzione” nel 2012.
E’ stato previsto un timeframe per il ripristino di 10 anni, nei cui i primi 5 (2011-2015) si è
stabilito un “Periodo in cui concentrarsi sulla ricostruzione“ per il quale sono stati stanziati
circa 220 miliardi di €. Il successivo arco di tempo di 5 anni (2016-2020) è stato invece
definito come “Periodo di ricostruzione e rivitalizzazione” per il quale sono previsti
investimenti dell’ordine di circa 61 miliardi di €.
Ad oggi, settembre 2016, la maggior parte delle infrastrutture nelle aree coinvolte dal disastro
naturale sono state ripristinate, mentre la ricostruzione delle case è ancora in corso. Il numero
degli sfollati è diminuito da più di 470.000 a circa 174.000. C’è ancora molto da fare, ma
l’Agenzia per la Ricostruzione sta lavorando al ripristino delle attività commerciali, industriali
e alla fornitura dei mezzi di sussistenza. Si sta inoltre occupando dell’ assistenza medica e
sociale ai residenti.
Il budget totale della ricostruzione varia in funzione della dimensione e delle diverse
caratteristiche che distinguono ogni terremoto, ma l’esempio seguente mostra come
l’ammontare del budget per la ricostruzione - recuperato con la tassazione dei cittadini - viene
così ripartito:
• Costo per l’attività degli enti militari, protezione civile……………
20%
• Costo per l’attività della polizia….…………………………………………...
20%
• Costo per i pasti delle vittime…………………………………………………
10%
• Costo per abiti e spese varie per le vittime………………………………
10%
• Costo per rimozione dei detriti e costi di ricostruzione strade....
40%
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I PRINCIPALI MECCANISMI DI RESISTENZA SISMICA DIFFUSI IN GIAPPONE
Ad oggi i principali meccanismi di resistenza sismica per gli edifici sono quattro. Vediamoli in
dettaglio.
•
Meccanismo quake-resistant (di resistenza sismica)
Gli edifici anti-sismici hanno una struttura robusta la quale è in grado di
sopportare la forza di un terremoto. Queste costruzioni sono costituite
da muri portanti e controventamenti di rinforzo; grazie a questi criteri di
progettazione la struttura è in grado di resistere alle forze indotte dal
sisma, nel caso questo si verifichi. Se il sisma si ripete in successione il
grado di danno/distruzione dell’edificio aumenta di conseguenza. Per
citare un esempio, in Giappone per un’unità abitativa in legno (tipologia edilizia molto
diffusa per edifici di qualche piano) è richiesta una resistenza sismica pari a “quella in
grado di permettere all’ edificio di non crollare nel caso avvenga un singolo sisma con
magnitudo di intensità 6”.
•
base)
Meccanismo Base-isolation (dispositivi di isolamento sismico alla
In ingegneria sismica con il termine isolamento sismico alla base (in
inglese, base isolation) delle strutture si intende quella tecnica di
progettazione strutturale antisismica che prevede l'utilizzo di isolatori
sismici con l’obiettivo di isolare l’edificio dai movimenti della terra.
Questo approccio viene impiegato in edifici di notevole dimensione, nei
quali la fondazione viene isolata mediante appoggi in gomma laminata
in acciaio e appoggi su cuscinetti a sfere d’acciaio.
Recentemente in Giappone vi sono alcune aziende che si sono specializzate nell’offrire
sistemi di seismic isolation system offrendo tre diversi approcci, applicabili ad edifici
esistenti.
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• Isolando l’intero edificio: l’edificio è supportato da speciali elementi di isolamento
sismico alla base. Grazie a questa tecnica non solo gli elementi strutturali ma pure
i materiali interni e le persone all’interno dell’edificio sono al sicuro da forti
terremoti, dunque questo è il sistema più efficace.
E' uno dei dispositivi di isolamento sismico più semplici ed è costituito da una
serie di lastre orizzontali d'acciaio immerse in una matrice di elastomero. Così si
ottiene un blocco composito che, grazie all'elevata rigidezza verticale, possiede la
capacità di sostenere il carico agente in questa direzione e grazie all'elevata
flessibilità orizzontale è in grado di disaccoppiare il moto della struttura da quello
del terreno, riducendo le oscillazioni dell’edificio.
Per isolare gli edifici vengono impiegati diversi tipi di gomma laminata. Siccome i
cuscinetti di gomma naturale non hanno alcuna proprietà di smorzamento,
vengono dunque rinforzati con sistemi smorzanti, quali elementi laminati in
acciaio. I cuscinetti in gomma/piombo e i cuscinetti di gomma ad alta capacità
smorzante sono già stati impiegati efficientemente in numerose costruzioni e
hanno comprovato la loro efficacia.
Bisogna però sottolineare il fatto che questo tipo di dispositivo non può essere
impiegato per edifici residenziali bassi, poiché la rigidità della gomma non si
presta al peso di una costruzione di questo tipo. Se si impiegasse questo tipo di
dispositivo la casa:
• oscillerebbe qualora qualcuno si muovesse all’interno dell’abitazione
• paradossalmente si proteggerebbe l’abitazione da tifoni o terremoti, ma
renderebbe la casa suscettibile al movimento durante forti raffiche di vento.
• Isolando i piani: particolari piani di edifici multi-piano, come ad esempio le sale
computer o le art-exhibition room vengono isolate mediante sistemi a cuscinetti a
sfere d’acciaio. Questo sistema di isolamento alla base su appoggi a sfere di
acciaio, è in grado anche di minimizzare la trasmissione dell’energia distruttiva di
un sisma all’interno di una struttura, di prevenire dissestamenti orizzontali
permanenti da dopo terremoto, di mantenere la capacità del sistema di resistere
alla pressione del vento e ai terremoti di minore intensità. Sono possibili
isolamenti bidimensionali e tridimensionali.
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• Isolando alcune apparecchiature: alcuni elementi sensibili, quali opere d’arte o
server machine possono essere Isolati parzialmente. La dimensione di questi
dispositivi varia da 45cm x 45cm fino a circa 4 metri quadrati. Gli elementi da
proteggere vengono collocati al di sopra dell’elemento di isolamento sismico.
• Meccanismo ibrido di isolamento sismico
FRS (Flat Rail - laminated Rubber Bearing System) è un sistema ibrido di isolamento
sismico. Questo sistema consiste in un sistema misto di cuscinetti cilindrici in acciaio
CRB (Cylindrical Roller Bearing) e cuscinetti di gomma laminata. La combinazione di
questi due tipi di cuscinetti consente una notevole riduzione della risposta sismica.
Nel FRS è possibile controllare il suo periodo naturale grazie alla combinazione del
cuscinetto a rulli in acciaio, il quale non ha forza ripristinante, e del cuscinetto in
gomma.
La forza ripristinante del FRS è molto minore rispetto ai sistemi che impiegano
esclusivamente cuscinetti di gomma. Con FRS è possibile prolungare il periodo
naturale fino a oltre 4 secondi indipendentemente dalla dimensione strutturale e
l’effetto di isolamento sismico è notevolmente migliorato.
Questo tipo di sistemi sono efficacemente impiegati in:
- edifici di elevata importanza, quali ad esempio edifici per prevenzione disastri
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- edifici molto alti o molto bassi, nei quali i sistemi di isolamento sismico convenzionale
non sarebbero adeguati per edifici di forma molto allungata e costruzioni che poggiano
su terreno morbido.
• Smorzatori, o dissipatori sismici (dampers)
Questo tipo di meccanismi assorbono l'energia della vibrazione sismica e la
convertono in calore, in questo modo riescono a "smorzare" (damping) gli
effetti di risonanza in strutture che sono connesse in modo rigido al suolo.
Questo tipo di dispositivi risultano molto efficaci nel caso in cui il sisma si
ripeta più volte e sono inoltre applicabili non solo in grandi strutture, ma
anche in edifici residenziali di minore entità. In Giappone l’utilizzo di questi
sistemi è in forte incremento, anche perché il costo è più contenuto rispetto
ai dispositivi di isolamento sismico alla base.
CRITERI DI ADEGUAMENTO SISMICO DI UN EDIFICIO ESISTENTE (RETROFITTING)
Con l’introduzione in Giappone della nuova normativa antisismica in vigore dal 1981, buona
parte del patrimonio edilizio esistente necessita di essere adeguato ai nuovi criteri di
resistenza.
Durante le fasi iniziali del piano di adeguamento sismico di un edificio è necessario condurre
una diagnosi sismica in conformità alle condizioni individuali della struttura, per valutarne la
sua resistenza sismica.
• Esame preliminare
1.
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Durante l’esame preliminare vengono controllati:
anno di costruzione
tipo di struttura
condizioni ambientali
disponibilità dei disegni di completamento della struttura
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• Diagnosi sismica
Una diagnosi sismica comprende le seguenti attività:
1. Diagnosi preliminare: semplice diagnosi dell’edificio con un numero relativamente grande di
muri
2. Diagnosi secondaria: metodo di diagnosi base, focalizzato sulla diagnosi di elementi strutturali
quali pilastri e murature
3. Diagnosi terziaria: diagnosi dettagliata che considera la resistenza delle travi in aggiunta a
quella dei pilastri e delle murature
• Piano di adeguamento sismico
Basandosi sui risultati della diagnosi sismica, la performance di resistenza sismica viene
valutata in modo qualitativo e si prendono in considerazione i metodi più appropriati per il
rafforzamento sismico dell’edificio.
• Adeguamento sismico
Basandosi sul piano di adeguamento sismico si sviluppa il progetto di implementazione
dell’adeguamento sismico (progetto esecutivo) e l’adeguamento sismico viene realizzato
sull’edificio esistente.
L’adeguamento sismico consiste in tre differenti approcci:
1) Metodo di consolidamento sismico, che aumenta le performance di resistenza dell’edificio al
sisma. Questo è il metodo più diffuso.
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2) Metodo di isolamento sismico, per ridurre l’impatto delle vibrazioni di un terremoto su un
edificio.
3) Metodo di controllo delle vibrazioni, che controlla l’andamento delle oscillazioni della
struttura.
1) Metodo di consolidamento sismico
Il consolidamento sismico è la tecnologia standard per l’adeguamento sismico degli edifici. E’
una tecnica che consente di aumentare l’intensità di resistenza e modificare le performance di
una struttura. Ci sono vari approcci come quelli descritti in figura.
2) Metodo di isolamento sismico
Questa tecnologia consente, come abbiamo visto in analisi, di ridurre gli effetti delle vibrazioni
di un terremoto su un edificio installando sistemi di isolamento sismico tra il suolo e l’edificio
come spiegato precedentemente. In aggiunta questa tecnologia può includere l’isolamento
sismico solo di alcuni piani o stanze di un edificio.
3) Metodo di controllo delle vibrazioni
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Questa tecnica mediante l’ausilio di diversi sistemi di smorzamento delle vibrazioni fissati
sulla superficie di un muro, o installando una vasca d’acqua o una massa sospesa sul tetto per
tener sotto controllo la vibrazione dell’edificio come mostrato nella figura sotto. In aggiunta,
vi è un metodo che tiene sotto controllo le vibrazioni di un edificio installando un sistema di
smorzamento delle vibrazioni nel soffitto.
4) Metodo di costruzione BID (Built-in Dumper)
Come mostrato sotto, questo metodo utilizza telai esterni composti da travi e
pilastri in acciaio per rinforzare la struttura esistente
UNA PROPOSTA PER L’ITALIA.
Partiamo da un articolo trovato in rete sul Nikkei che parla del recente terremoto di
Amatrice…
“Subito dopo il terremoto di Amatrice del 24 agosto, ad ispezione avvenuta, sono stati trovati
molti edifici certificati da “finti” calcoli strutturali. Molti edifici rinforzati con la tecnica del
retrofitting (tra cui persino una scuola pubblica di recente costruzione) sono stati distrutti dal
sisma. Le ditte appaltatrici sono accusate di lavoro fraudolento nei confronti delle vittime del
terremoto e vi è un crescendo di scetticismo da parte della popolazione. Se persino le strutture
più recenti sono crollate durante il sisma, questo significa che le ditte appaltatrici non hanno
rispettato le norme vigenti in fatto di costruzioni.
In riferimento a quanto scritto su “La Repubblica” si evince che sebbene la scuola di Amatrice
avesse adottato tecniche di retrofitting e rafforzato, mediante sussidi pubblici, le pilastrate, i
suoi solai ed i muri sono stati trovati gravemente danneggiati dopo il sisma. Questo non può
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significare altro che sulla scuola non è stata realizzata in maniera efficace nessuna tecnica di
rinforzo…
Nel frattempo il governo italiano si è detto disposto a cominciare ad attuare verifiche sui crolli
ed ha inoltre annunciato controlli sulla rigida osservazione dei regolamenti edilizi e un
inasprimento dei toni nei confronti della corruzione edilizia”.
In Italia rispettare e mantenere vivo il patrimonio artistico è un aspetto importante. Non solo
da un punto di vista culturale/storico ma anche dal punto di vista etico: in quanto ingegneri e
architetti abbiamo il dovere di preservare il valore artistico degli edifici che caratterizzano un
luogo, sia per noi stessi che per le generazioni successive. Anche i nostri successori devono
poter aver il diritto di godere delle caratteristiche e delle bellezze degli edifici che
caratterizzano la storia di una città o di un piccolo borgo.
I sistemi di prevenzione sismica esistono e funzionano: il Giappone è un esempio da prendere
come riferimento. Tutti gli edifici vengono realizzati o trasformati rispettando rigidamente i
regolamenti edilizi e le norme anti-sismiche in vigore.
Da questo articolo si evince che se tutto viene fatto come deve essere fatto si possono salvare
molte vite umane in caso di un cataclisma catastrofico come quello di un terremoto.
I terremoti sono imprevedibili, possono avvenire ovunque e in ogni momento. La popolazione
del Sol Levante questa lezione l’ha imparata e ha cambiato i suoi stili di vita per far fronte a
questo nemico imprevedibile e spaventoso: simulazioni, sistemi efficienti di allerta sismica,
regolamenti edilizi severi, rinforzamento di edifici esistenti con tecniche anti-sismiche
avanzate.
Quello che forse servirebbe all’Italia è un maggiore controllo da parte della vigilanza pubblica
e soprattutto un uso più efficiente delle risorse messe a disposizione dal governo in questi casi
di calamità naturali. Le tecniche per prevenire o ridurre disastri come quelli di Amatrice ci
sono, e il Giappone ne è un esempio; basterebbe semplicemente volerle attuare.
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