Isolamento sismico. Origini, sviluppo e applicazioni

I sistemi per l’isolamento sismico rappresentano un’innovazione volta alla protezione delle strutture dai terremoti. In questo articolo dell’ingegner Pierpaolo Cicchiello, responsabile della sezione antisismica del tabloid Ingegneri, ne vengono illustrate le caratteristiche e i vantaggi oltre a una rassegna dei sistemi attualmente disponibili.

This article describes seismic isolation systems, an innovative approach to protect structures from seismic hazards. It illustrates why use of seismic isolation systems may be beneficial and it provides overview of types of seismic isolation systems available.

Il principio di funzionamento dell’isolamento sismico è semplice. Assunto che il terreno fondale, deformando la struttura, ne provoca il danneggiamento, l’ideale consiste nella disconnessione della struttura dal suolo, soprattutto ai fini dei movimenti più dannosi, quelli orizzontali. L’inserimento di dispositivi molto deformabili orizzontalmente tra struttura e terreno, approssima questa condizione ideale. Si consegue così la protezione della costruzione nell’insieme, per terremoti anche violenti, in grado di provocare, nelle costruzioni non isolate, danni gravi alle parti strutturali e non. L’adozione dell’isolamento sismico in una nuova costruzione incrementa il costo di costruzione del 5-10% sul totale. A certe condizioni, i sovraccosti possono essere nulli o, anche, si può risparmiare. L’isolamento sismico rientra tra i sistemi di controllo passivo. L'aggettivo "passivo” è dovuto al fatto che le tecniche in questione riducono la risposta sismica della struttura con un comportamento costante e predeterminato, senza correzioni contestuali, non si adattano interattivamente al terremoto ma lo subiscono "passivamente". Le tecniche di protezione passiva comprendono le tecniche d’incremento del periodo d’oscillazione, quelle di dissipazione dell’energia, e quelle che adottano un mix delle due strategie. Tra quelle che incrementano il periodo di oscillazione, introducendo lungo lo sviluppo verticale della struttura una o più discontinuità, quando la prima di esse è situata alla base della struttura si parla di strutture isolate alla base, BIS, diversamente si parla tout court di isolamento (figura 1 e figura2).

In pratica, l’isolamento sismico alla base mitiga la trasmissione dell’eccitazione dal suolo alla struttura, disaccoppiandone il moto. I criteri di progettazione adottati in passato si basavano sulla resistenza. L'edificio, sottoposto ad input sismico, per resistere alle azioni rimane in campo elastico; il criterio FBD, Force Based Design, prevede una progettazione basata sulla resistenza. Mantenere l'edificio in campo elastico, sotto un sisma, sovradimensiona la struttura, non sfrutta le sue risorse in campo plastico, la duttilità. L'edificio, da oscillatore elastico, va “letto” come un oscillatore semplice elasto-plastico: la duttilità riduce le azioni di progetto. Da una progettazione basata sulla resistenza si passa ad una basata sulla duttilità, DBD Displacement Based Design. Per sfruttare ancor meglio la duttilità si giunge al criterio della gerarchia delle resistenze (GdR, o capacity design, CD). Si guida la struttura in campo plastico, per sfruttarne le risorse oltre il limite elastico. La differenza tra strutture con e senza GdR è evidente (figura 3).

Nel secondo telaio le cerniere plastiche sui pilastri, con la formazione di un meccanismo di piano debole, pericolosissimo, non rispettano il criterio di trave debole in pilastro forte. Nel primo telaio si formano cerniere alle estremità delle travi, a beneficio della duttilità. Il principio di guidare il comportamento delle strutture ha trovato altre applicazioni, come i controventi eccentrici, i sistemi a dissipazione concentrata in soli alcuni elementi, (EBF, Eccentrically Braced Frames). Il filo comune in quanto presentato è che l'azione sismica arriva alla struttura che, in un modo o nell'altro, deve fronteggiarla. La rivoluzione culturale è la scelta di non fare arrivare, in tutto o in parte, il sisma alla struttura. E' il principio sul quale si fonda l'isolamento sismico: isolare la struttura dal suolo, disaccoppiandone i moti. Negli anni Trenta venne proposto il “Flexible first story concept", con l’introduzione di colonne flessibili al primo piano, per allungare il periodo naturale della struttura (figura 4).

Il sistema ricorda il meccanismo di piano soffice, da evitare, mentre ivi era pensato e concepito proprio per dissipare energia. Successivi sviluppi portarono al “The Soft first Story Method”, che introduceva il concetto di assorbimento dell’energia mediante plasticizzazioni. L’ospedale Olive View di Los Angeles, costruito con questo concetto, si rivelò un insuccesso, per i danni subiti nel terremoto San Fernando (1971), poco dopo l’ultimazione della costruzione (figura 5).

Il sistema si mostrò deficitario, subendo il meccanismo di piano soffice, che doveva essere invece un punto forte del sistema. Le conclusioni evidenti furono l’impossibilità di assorbire l’energia del sisma solo tramite un piano di colonne. Tra gli studiosi che si sono interessati al problema si cita Chopra che, nel suo Dynamics of Structures - Theory and Applications to Earthquake Engineering, dice: “Sebbene gli edifici con piani soffici sono non appropriati per le regioni sismiche, la loro risposta durante i passati terremoti suggerisce la possibilità di ridurre il danno all’edificio mediante un sistema d’isolamento alla base che agisca come una sorta di piano soffice”.

Chopra spiega che disaccoppiare il moto del suolo dalla sovrastruttura è importante e va sfruttato. L'isolamento sismico “moderno” degli edifici nasce all'inizio degli anni '80: da allora si è assistito ad uno sviluppo di studi, ricerche ed applicazioni pratiche ad edifici nuovi. Strutture isolate sono state realizzate in USA, Giappone e Nuova Zelanda. In Italia, pur essendo vivo il dibattito scientifico, le realizzazioni sono poche, in relazione alla leadership tecnologica disponibile. I primi collaudi in situ, impulso all’utilizzo dei sistemi d’isolamento, sono stati Northridge (1994) ed ancor più Kobe (1995). I risultati ottenuti sono stati incoraggianti.

Diversi tipi di isolatori

Tra gli isolatori ricordiamo quelli elastoplastici (1), a scorrimento (2) ed elastomerici (3); vanno anche citati i dispositivi basati sulle leghe a memoria di forma (LMF). Gli isolatori elastoplastici (1) sono studiati per mantenersi in campo elastico nei riguardi delle sole azioni verticali, prevedendo una soglia prefissata di plasticizzazione per quelle orizzontali. Quelli a scorrimento (2) sono apparecchi di appoggio scorrevoli, che sostengono i carichi verticali, consentendo spostamenti orizzontali. Di norma, tali isolatori sono accoppiati a dispositivi ausiliari (dispositivi isteretici o ammortizzatori viscosi), per compendiare resistenza verso carichi verticali e dissipazione di energia sismica. Gli isolatori elastomerici, armati e non (figura 6), i più diffusi, sono formati da strati in elastomero (con la funzione di dissipazione, disaccoppiare il moto e mantenere spostamenti ammissibili), alternati a lamine in acciaio (per la resistenza allo schiacciamento), che ne rendono trascurabile la deformabilità verticale.

Gli strati in elastomero hanno una bassa rigidezza nei confronti degli spostamenti orizzontali. Gli elastomeri formanti gli isolatori sono composti da catene polimeriche fortemente allungabili, con comportamento isteretico, collegate in direzione trasversale in maniera tale da consentire il recupero della deformazione. L’inserimento degli isolatori consente di ottenere l’aumento del periodo proprio di vibrare della struttura, allontanandola dalla zona dello spettro di risposta a maggiori accelerazioni. In sintesi, l’utilizzo degli isolatori sismici consente:
- riduzione accelerazioni trasmesse dal sisma alla struttura, con minori forze agenti sulla struttura (la struttura si lascia “spostare” quasi come un blocco rigido, sì da evitare collasso dell’edificio e danneggiamento di elementi strutturali) ed accelerazioni minori (evitano danni a ciò che è contenuto all’interno dell’edificio, mantenendolo funzionale);
- riduzione spostamenti d’interpiano. Si contiene il danno ad elementi non strutturali (tamponature ed impianti), di fondamentale importanza per gli edifici che devono rimanere operativi dopo un terremoto (ospedali e centri operativi per l’emergenza) o per edifici quali i musei o le chiese. In tali casi, secondo l’Autore, scelte diverse dall’isolamento sismico andrebbero vagliate con attenzione e dovrebbero costituire un’eccezione alla regola.

In conclusione, l’isolamento sismico alla base meglio si presta all’utilizzo per la protezione sismica di edifici costruiti su suoli rigidi con un basso periodo proprio (Low-rise building). Si segnala da ultimo che lo schema tipico di unità abitative del progetto C.A.S.E. (complessi antisismici ed ecocompatibili) all’Aquila (figura 7, figura 8) ha previsto la realizzazione di unità abitative sismicamente isolate. In proposito, si vedano le figura 9, figura 10, figura 11 (Isolatori a scorrimento a doppia superficie curva della FIP Industriale installati nell'edificio 4.2 nell'area di Pagliare di Sassa, L'Aquila, alla sommità di un pilastro in acciaio nell’ area di Roio Poggio).

Per approfondimenti
1. Russo, Sorace, Protezione sismica delle strutture, Tecnologie innovative Ricerca Applicazioni, 2009
2. Gawronski, Advanced Structural Dynamics and Active Control of Structures, 2004
3. Chopra, Dynamics of structures. Theory and applications to earthquake engineering, 1995

Articolo di Pierpaolo Cicchiello, Ingegnere strutturista, collaboratore del Politecnico di Milano

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