Progettazione di edifici con isolamento sismico

Criteri generali ed esempi di applicazione

Documento aggiunto nell'edizione 2006 del Forum Italiano della Progettazione

Gli eventi naturali incontrollabili, come il terremoto, suscitano generalmente sensazioni di impotenza; ciò nonostante l'umanità ha sempre reagito cercando di costruire, con varie tecniche derivanti dalle esperienze acquisite, in modo da resistere alla forza della natura; spesso però tali tecniche costruttive si sono dimostrate inefficaci provocando numerose perdite di vite umane.

Attualmente la conoscenza acquisita sul fenomeno sismico e la ricerca scientifica hanno portato alla messa a punto di nuove tecnologie antisismiche che consentono una protezione pressoché totale, efficace e consapevole nei confronti dei terremoti.

Per comprendere bene i notevoli vantaggi derivanti dall'uso delle suddette nuove tecnologie, è importante chiarire che  la progettazione antisismica convenzionale, nel rispetto della normativa, ha lo scopo di salvaguardare la vita umana, con una sicurezza nei confronti del crollo della struttura per terremoti di forte intensità, ma prevede ed accetta il verificarsi di danni ingenti, anche non riparabili. Ciò perché sarebbero economicamente non realizzabili strutture capaci di sostenere i terremoti attesi senza alcun danno;  inoltre difficilmente si  riesce ad evitare la trasmissione delle vibrazioni sismiche all'interno della struttura.

Dalla metà degli anni settanta e soprattutto dalla fine degli anni ottanta, la ricerca si è indirizzata verso lo studio e lo sviluppo di tecniche innovative di protezione sismica che hanno portato ad un modo alternativo di conseguire il risultato in maniera molto più efficace, ossia cercando di evitare la trasmissione della gran parte dell’energia sismica da parte del terreno alla struttura.  Si abbandona quindi l'idea di rafforzare la struttura in elevazione, puntando sul notevole abbattimento delle azioni sismiche trasmesse ad essa dal terreno.

Questo risultato può essere perseguito attraverso l'isolamento sismico che consiste nel disaccoppiare il moto del terreno da quello della struttura, introducendo una sconnessione alla base degli edifici; il principio su cui si basa è sostanzialmente quello delle sospensioni delle automobili: fra la struttura in elevazione e la fondazione degli edifici, vengono inseriti dei dispositivi, chiamati isolatori sismici, usualmente costituiti da strati alternati di gomma ad alto smorzamento e lamierini di acciaio (isolatori elastomerici), che conferiscono al sistema di appoggio un’elevata rigidezza verticale (per la trasmissione dei carichi verticali al terreno) ed una bassa rigidezza orizzontale (per permettere alla sovrastruttura di muoversi rispetto alla fondazione); l'aumento di deformabilità conseguente all'introduzione degli isolatori porta il periodo proprio del sistema strutturale in una zona dello spettro (periodi dell'ordine di circa 2 secondi) a bassa accelerazione. Di conseguenza, le accelerazioni prodotte dal sisma sulla struttura con isolamento sismico risultano drasticamente minori di quelle prodotte sulla struttura a “base fissa”, al punto che la struttura può essere agevolmente progettata per sostenere terremoti violenti senza subire danni.

In questo modo quindi, si assorbono e si riducono significativamente le accelerazioni imposte dal terremoto con conseguenti benefici non solo alla struttura, ma anche ai suoi contenuti.

Nei confronti di un'azione sismica impressa dal terreno, la differenza di comportamento, tra una struttura a base isolata e una struttura tradizionale, è qualitativamente illustrato nelle seguenti figure.

Struttura con isolamento sismico                                         Struttura tradizionale
(spostamenti di interpiano trascurabili)                       (grandi spostamenti di interpiano)

Gli effetti benefici che ne conseguono, rispetto ad un analogo edificio tradizionale ed a parità di azione simica, sono molteplici ed i principali possono riassumersi nei seguenti punti:

1. un grado di protezione sismica della vita umana notevolmente maggiore, per la sensibile riduzione delle accelerazioni trasmesse dal sisma alla struttura, anche ai piani più alti e quindi:

    a) minori forze sulla struttura, evitando così sia il collasso dell'edificio che il
        danneggiamento degli elementi strutturali;

    b) le minori accelerazioni consentono di evitare danni anche a tutto ciò
        che è contenuto all'interno dell'edificio e quindi di mantenerne la
        funzionalità anche a seguito di un terremoto violento;

    c) assenza quasi totale di vibrazioni sismiche all'interno e quindi minore o
        nulla percezione umana delle scosse sismiche, grazie all'effetto “filtro”
        degli isolatori;

2. una protezione pressoché totale dal danneggiamento, per la notevole riduzione degli spostamenti di interpiano; in parole semplici, sotto l'azione del sisma l'edificio si muove come un blocco rigido al di sopra degli isolatori, nei quali viene concentrata quasi tutta la deformazione. Ciò consente di evitare il danno non solo agli elementi strutturali, ma anche agli elementi non strutturali, come le tamponature (danni che comunque possono rendere inagibile un edificio costruito in modo tradizionale);

3. maggiore libertà progettuale ed espressione estetica nella individuazione formale e funzionale del manufatto edilizio;

4. costi di costruzione confrontabili se non addirittura inferiori;

5. nessuna spesa per le riparazioni dei danni e per la gestione dell'emergenza in caso di evento sismico e conseguenti minori costi anche per la collettività, oltre a  non avere alcun tipo di disagio.

Isolatori elastomerici  posti in opera

L'isolamento sismico è importantissimo soprattutto per gli edifici che devono rimanere operativi dopo un violento terremoto, ad esempio gli ospedali o i centri operativi per la gestione dell'emergenza (centri di protezione civile, caserme dell'esercito e dei vigili del fuoco, ecc.), oppure per tutti quegli edifici il cui contenuto ha un valore molto superiore a quello degli edifici stessi (musei, banche, centri di calcolo, ecc.) e che sono molto vulnerabili alle azioni sismiche.

Tale tecnica costruttiva può essere facilmente applicata anche nell'edilizia residenziale privata, in quanto sono da prevedere solo dei piccoli accorgimenti costruttivi in fase di progettazione, facilmente realizzabili dall'impresa costruttrice.

Sulla base di quanto detto, è auspicabile l'ampia diffusione delle nuove tecnologie antisismiche, anche per le singole unità abitative; infatti in questo modo, oltre a tutti i benefici illustrati, non si corre il rischio di vedere vanificato, in pochi secondi, quello che spesso rappresenta il frutto di una vita intera, con le conseguenti ripercussioni psicologiche e sociali.

Isolatore elastomerico deformato durante una prova sperimentale

E' importante sottolineare che l'adeguatezza dei sistemi di isolamento sismico, oltre che con prove sperimentali, è stata dimostrata anche sul “campo” in occasione di due terremoti catastrofici: quello di Northridge del 1994 in California (USA) e quello di Kobe del 1995 in Giappone. In entrambi gli eventi,  l'ottimo comportamento delle strutture con isolamento sismico, paragonato a quelle di strutture simili realizzate nelle immediate vicinanze, dimostrò in maniera lampante le enormi potenzialità di tale tecnica costruttiva, dando notevole impulso alla crescita del numero di applicazioni nel mondo, non solo su opere di carattere strategico ma anche di ordinaria importanza. 

L'isolamento sismico è possibile anche per l'adeguamento di edifici esistenti ed il livello di sicurezza ottenibile è nettamente superiore a quello con interventi di adeguamento di tipo tradizionale, evitando costosi e spesso tecnicamente problematici, interventi sulla struttura esistente; in questo caso è necessaria una sottofondazione o il taglio della fondazione.

Va precisato che l'isolamento sismico non è applicabile per strutture molto flessibili e per terreni di fondazione troppo soffici.

In Italia, ci sono già diverse decine di edifici con isolamento sismico e dopo la recente normativa sismica che, prevedendone l'uso, ha snellito le procedure formali di presentazione dei progetti fornendone i criteri generali, le regole di calcolo e di verifica, nonché le modalità di controllo, si sta assistendo a numerose nuove realizzazioni e progettazioni.

Nel mondo gli edifici realizzati con isolamento sismico sono circa 4000 (oltre 2500 solo in Giappone, di cui 1300 sono case private ).

L'auspicio è quello di una divulgazione, di un aggiornamento capillare e di una maggiore sensibilizzazione all'uso, per un'ampia diffusione di questa efficace tecnica costruttiva, che come illustrato, consente di avere una protezione sismica pressoché totale della costruzione e del suo contenuto senza, praticamente, nessun costo aggiuntivo e senza precludere la libertà progettuale nella scelta della forma più idonea per esprimere il proprio gusto estetico. Si ritiene che sia dovere professionale e soprattutto morale, da parte di tutti gli operatori del settore, informare ed incentivare chiunque ad utilizzare tale sistema innovativo perché tutti hanno il diritto di essere realmente protetti dal terremoto.

Relatore: Ing. Nino Doganiero - TecnoArt Studio Frosolone (IS)

             Socio GLIS (Gruppo di Lavoro Isolamento Sismico)

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