Isolamento sismico: come ridurre al minimo i danni dei terremoti sugli edifici

Una tra le possibili tecnologie per la mitigazione del rischio sismico delle costruzioni è quella dell'isolamento sismico. Nel campo ingegneristico questa tecnica prevede di inserire speciali dispositivi in specifici punti della struttura per isolarla dai movimenti del terreno in caso di terremoto. In commercio ne esistono di diverse tipologie anche se, come vedremo, il principio di funzionamento è sempre lo stesso. In questo articolo affronteremo i concetti teorici base con alcune riflessioni sulle tipologie di isolatori e le tecniche costruttive di implementazione.

Perché gli edifici vengono isolati sismicamente?

La moderna progettazione sismica ha come obiettivo principale la salvaguardia della vita umana. Per ottenere questo obiettivo si è disposti anche a rinunciare alla funzionalità della costruzione ad avere un cospicuo danneggiamento a seguito di un evento sismico. Tuttavia, strutture strategiche come ospedali, sedi dei Vigili del Fuoco e luoghi similari non possono essere progettate per lo stesso livello di prestazione di un edificio ordinario. La loro operatività deve essere garantita anche a fronte di violenti terremoti, motivo per il quale può essere opportuno (a volte necessario) avere un sistema di protezione sismico che garantisca prestazioni differenti da quelle garantite da strutture ordinarie. L'isolamento sismico può essere l'elemento chiave nella progettazione di strutture strategiche.

Il principio fisico dell'isolamento sismico

Andiamo a vedere brevemente quali sono i principali principi fisici sui cui si basa l'isolamento sismico.

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Il periodo proprio di vibrazione

Per effetto di un terremoto, le strutture a diretto contatto con il terreno subiscono gli scuotimenti del sottosuolo. L'energia cinetica accumulata dalle masse della costruzione si manifesta visivamente mediante oscillazioni, che possono comportare locali o estesi danneggiamenti e, nei casi estremi, il collasso vero e proprio. In pratica, possiamo dire che le forze orizzontali esercitate da un sisma crescono all'aumentare dell'altezza dell'edificio e dipendono da un parametro chiamato periodo proprio di vibrazione. Di cosa si tratta?

Questo è una misura del tempo necessario alla struttura per svolgere un'oscillazione completa (cioè partire da un determinato punto e tornare indietro allo stesso punto di partenza). I valori che questo parametro assume sono indice di una suscettibilità più o meno importante della struttura ad "attrarre" importanti azioni sismiche. Le strutture oscillano con periodi propri di vibrazione che vanno orientativamente dai 0.1 secondi (strutture basse) fino a 1 secondo (strutture a più piani). In questo intervallo di valori le amplificazioni assumono i valori maggiori. Se si va oltre  1 secondo, si assiste invece ad una progressiva diminuzione delle azioni sismiche agenti.

La sconnessione tra fondazione ed elevazioni

Come si fa ad aumentare il periodo proprio di vibrazione di una struttura? Immaginiamo di avere una costruzione poggiata su dei semplici rulli. La struttura risulta disaccoppiata dal terreno, in modo che ad uno spostamento del terreno questa rimane praticamente ferma in senso assoluto. Questo porta ad avere un periodo proprio di vibrazione molto alto e una conseguente diminuzione delle sollecitazioni trasferite dalle fondazioni alle strutture. Gli elementi atti a realizzare questa sconnessione fisica si chiamano, per l'appunto, isolatori. Una struttura isolata, a differenza di una struttura ordinaria, può arrivare ad avere periodi propri di vibrazione maggiori di 2 secondi.

Tipologie di isolatori sismici

Esistono differenti tipologie di isolatori sismici. Principalmente, è possibile identificarli in due categorie:

• Isolatori elastomerici: sono dispositivi solitamente di forma cilindrica, realizzati mediante strati in gomma a cui si interpongono lamiere metalliche orizzontali che evitano lo spanciamento della gomma sotto il peso dell'edificio. La gomma fornisce una importante deformabilità laterale, che comporta un elevato aumento del periodo proprio di vibrazione. Inoltre, questa aggiunge un livello aggiuntivo di smorzamento al sistema che permette di abbattere ulteriormente gli effetti prodotti dal terremoto. Le caratteristiche prevalentemente elastiche della gomma permettono poi un'effettiva capacità ricentrante del sistema alla posizione iniziale;
• Isolatori a scorrimento: sono dispositivi che permettono il disaccoppiamento del moto terreno-struttura tramite uno scorrimento relativo di due superfici a contatto. Questo scorrimento si attiva nel momento in cui viene vinta la forza di attrito tra i piatti in contatto. Le superfici di contatto possono essere piane o curve. In questo secondo caso si parla di isolatori a pendolo (friction pendulum). Il vantaggio dell'utilizzo di isolatori a pendolo è la capacità auto-ricentrante del dispositivo, che invece viene persa nel caso di superfici piane. Un importante vantaggio di questa famiglia di isolatori è l'elevata capacità portate sotto carico verticale se confrontata con la famiglia degli isolatori elastomerici.

Dal punto di vista progettuale, il parametro di maggiore importanza del sistema di isolamento è la sua capacità di spostamento, ovvero il massimo spostamento ammissibile prima dell'innesco della crisi del dispositivo. Questo valore deve essere confrontato con quella che in gergo tecnico viene chiamata "domanda di spostamento sismica", che dipende principalmente dalla sismicità del sito. In sostanza, la domanda di spostamento sismica rappresenta la richiesta di spostamento relativo terreno-struttura innescata dal terremoto.

Tecniche costruttive

È possibile isolare sismicamente sia edifici nuovi che esistenti. Vediamo come viene fatto.

L'isolamento su edifici ex-novo

Costruttivamente, la presenza di un sistema di isolamento non condiziona le fasi progettuali per la realizzazione di una nuova struttura, di qualsiasi forma e tipo. Il progetto prevederà il loro montaggio in appositi alloggiamenti, su cui si effettuerà poi l'accoppiamento tra il dispositivo stesso e l'edificio. Per garantire la fase di ispezione ed eventuale sostituzione durante la vita utile dell'opera, si devono assicurare opportuni spazi attorno ai dispositivi.

L'adeguamento di edifici esistenti

La tecnica di isolamento sismico è spesso utilizzata come strategia di adeguamento sismico di costruzioni esistenti. Si intende, in questo caso, una procedura progettuale che garantisce performance sismiche di un edificio esistente analoghe a quelle di un ex-novo. La tecnica costruttiva è molto invasiva: è necessario in questo caso effettuare un taglio vero e proprio della parte terminale dei pilastri al piano da isolare per l'inserimento del dispositivo. Inoltre, va realizzata una connessione di piano tra gli elementi alla base, per garantire monoliticità al corpo isolato. Questo richiede quindi sufficiente spazio operativo e un elevato disturbo della struttura esistente, che dovrà essere opportunamente stabilizzata durante le fasi di montaggio, onde evitare crolli parziali dovuti al taglio dei pilastri esistenti.