Isolamento sismico negli edifici esistenti: criteri di progetto ed operatività

Isolamento sismico: che caratteristiche deve avere il sistema per essere efficace

L’isolamento sismico è una tecnica di mitigazione passiva dell’azione sismica che consente, grazie all’inserimento di specifici dispositivi con ridotta rigidezza orizzontale, di incrementare il periodo proprio di oscillazione di una struttura. In tal modo, l’azione sismica sulla sovrastruttura, che si trova al di sopra del sistema di isolamento, può essere ridotta notevolmente, anche del 70-80%.

Dunque, al contrario delle strutture fisse alla base che devono dissipare l’energia trasmessa dal suolo danneggiandosi, le strutture isolate possono essere progettate in campo elastico. Inoltre, gli spostamenti elevati indotti dall’aumento del periodo proprio vengono assorbiti pressoché totalmente dai dispositivi di isolamento; in tal modo, la sovrastruttura è soggetta a spostamenti relativi molto esigui.

Negli edifici, ciò porta ad una limitazione del danneggiamento anche delle parti non strutturali, così che l’opera possa rimanere operativa anche a seguito del terremoto di progetto. Le ottime prestazioni degli edifici isolati durante eventi sismici violenti sono state evidenziate in diversi casi in vari Paesi del mondo.

Al fine di garantire queste performance, il sistema di isolamento deve presentare determinate caratteristiche. Oltre alla bassa rigidezza orizzontale nei confronti delle azioni sismiche, deve garantire un’adeguata rigidezza nei confronti del vento e delle possibili vibrazioni ambientali, nonché un’elevata rigidezza in direzione verticale.

Inoltre, al fine di evitare la presenza di spostamenti residui a seguito di un evento sismico, i dispositivi di isolamento dovrebbero essere dotati di una capacità ricentrante, nonché di una capacità dissipativa per limitare gli spostamenti dell’opera. Usualmente, vengono utilizzate tre tipologie di dispositivi: isolatori elastomerici, slitte e isolatori a pendolo.

Gli isolatori elastomerici possono essere a basso smorzamento (LDRB), ad alto smorzamento (HDRB) o con nucleo in piombo (LRB). In Italia, gli HDRB vengono utilizzati più frequentemente. Oltre ad avere capacità ricentrante, sono caratterizzati da un legame forza spostamento non lineare che garantisce un’elevata rigidezza per bassi spostamenti e bassa rigidezza ed elevato smorzamento per spostamenti maggiori.

Per tali dispositivi sono disponibili semplici e affidabili formule di progettazione ed il loro comportamento è stato ampliamente dimostrato da diversi studi sperimentali. Spesso, al fine di limitare la rigidezza del sistema di isolamento, gli HDRB vengono utilizzati in accoppiamento con isolatori a scorrimento con superfici piane. Tali dispositivi sono dotati di basso attrito, che, usualmente, non viene considerato in fase progettuale. Sperimentalmente, però, si è visto che il loro contributo non è trascurabile, soprattutto nella fase inziale del moto.

Gli isolatori a scorrimento con superfici curve (CSS) possono presentare due o più superfici di scorrimento. Nella fase del moto, il comportamento di un CSS è simile a quello di un pendolo: un elemento con superficie rivestita con materiale a basso attrito (usualmente PTFE) scorre su una superficie di acciaio curva; dunque, idealmente, il periodo della struttura dovrebbe dipendere unicamente dal raggio, o dai raggi, di curvatura del dispositivo.

Ciò non è propriamente vero, in quanto l’attrito non assume un valore costante. Esso è influenzato da diversi fattori, come la pressione di contatto tra le superfici, la velocità di scorrimento ed il calore sviluppato durante il moto. Con riferimento alla velocità, all’avvio del moto e all’inversione del segno della velocità, il coefficiente di attrito cresce notevolmente rispetto a quello dinamico, provocando effetti indesiderati non considerati in fase progettuale. Sia analisi teoriche che sperimentali hanno evidenziato l’importanza di una scelta accurata del coefficiente d’attrito.

In Italia, a partire dal 2003, con l’emanazione dell’OPCM 3274, e a seguito del terremoto dell’Aquila del 6 aprile 2009 il numero delle strutture isolate è cresciuto esponenzialmente.

L’utilizzo di sistemi di isolamento è più frequente negli edifici di nuova costruzione piuttosto che in quegli esistenti, in quanto l’applicazione a tali tipologie di edifici è quasi sempre possibile e non comporta, in aree a media o elevata sismicità, incrementi di costo. Negli edifici esistenti, nonostante siano state realizzate diverse applicazioni dopo i recenti eventi sismici, l’adozione dell’isolamento non è ancora molto diffusa, in quanto la progettazione di un intervento di tale tipologia presenta problematiche complesse da tener in considerazione. Nonostante ciò, il miglioramento mediante isolamento sismico presenta numerosi vantaggi.

È, infatti, possibile garantire un livello di sicurezza che difficilmente può essere raggiunto mediante le tecniche di intervento tradizionali. Inoltre, mirando alla riduzione dell’azione sismica piuttosto che all’incremento della resistenza degli elementi strutturali, gli interventi sulla sovrastruttura possono essere molto limitati. In questi casi, soprattutto quando il sistema di isolamento viene inserito nei piani più bassi, non risulta necessario lo svuotamento dell’edificio, il cui uso può continuare anche durante lo svolgimento dei lavori adottando alcuni accorgimenti per garantire un adeguato livello di sicurezza nei confronti delle azioni sismiche.

Criteri e problematiche di progettazione

La prima problematica da tener in considerazione durante la progettazione di un intervento su un edificio esistente è la scelta del posizionamento del sistema di isolamento sia in pianta che in elevazione.

È necessario specificare che i dispositivi di isolamento non devono necessariamente essere in uno stesso piano orizzontale, ma è indispensabile che, singolarmente, siano posti su una superficie orizzontale e che, all’interno dell’edificio, possa essere definita una superficie continua, detta interfaccia di isolamento, che passi per tutti gli isolatori senza intersecare né la sottostruttura né la sovrastruttura.

Inoltre, è necessario che i dispositivi possano essere facilmente ispezionabili e sostituibili. Nel considerare tali necessità, comuni anche alla progettazione di nuovi edifici, la scelta del sistema deve tener conto di una serie di caratteristiche dell’edificio su cui si sta intervenendo, tra cui:

• la destinazione d’uso del piano in cui si vuole inserire il sistema di isolamento;
• la tipologia e la configurazione del sistema di fondazione;
• la posizione e le caratteristiche strutturali del vano ascensore e del vano scale.

Una delle soluzioni più diffuse è l’inserimento dei dispositivi di isolamento all’interno dei pilastri del piano inferiore dell’edificio (Fig. 1 (a)). In tal caso, sarebbe opportuno collocare gli isolatori in sommità dei pilastri. In tal modo, in caso di sisma, la presenza del sistema di isolamento non interferisce con la funzionalità del piano in cui esso è inserito.

Nella maggior parte dei casi, questa soluzione richiede l’ingrandimento degli elementi verticali sia al fine di contenere i dispositivi di isolamento sia per garantire il raggiungimento di un’adeguata rigidezza, mentre il solaio al di sopra del sistema di isolamento garantisce la presenza di un diaframma rigido che colleghi tutti gli isolatori. Tale soluzione rende, inoltre, molto facili le ispezioni e le operazioni di manutenzione.

Ovviamente, gli isolatori possono essere collocati anche alla base dei pilastri (Fig. 1 (b)). In tal caso la presenza di un piano rigido al di sotto dei dispositivi è garantito dalle fondazioni, mentre al di sopra potrebbe essere necessario l’ingrandimento dei pilastri o la creazione di un diaframma rigido. In quest’ultimo caso, è necessario prevedere l’installazione di botole che rendano possibile l’ispezione degli isolatori. Nel caso in cui non venga creato un piano rigido, è necessario garantire uno spazio libero attorno ai pilastri in modo che, durante il sisma, la sovrastruttura non colpisca persone o oggetti durante il moto.

Tra gli interventi su edifici esistenti in cui gli isolatori sono stati inseriti all’interno dei pilastri, si ricordano quelli del Centro di Rione Traiano a Napoli (Fig. 2 (a)), il cui intervento risale al 2005, del complesso Leonardo a L’Aquila (Fig. 2 (b)) e dell’ospedale Villa Serena a Jesi (Fig. 2 (c)).

Altra soluzione per la collocazione del sistema di isolamento è quella di inserire gli isolatori tra le fondazioni esistenti e delle nuove sub-fondazioni, realizzate su misura. Nel caso in cui le fondazioni esistenti non fossero affidabili, è possibile prevederne la sostituzione o il rinforzo. Tale soluzione è stata utilizzata per la prima volta nell’Europa Occidentale per l’adeguamento di un edificio residenziale in via Latini a Fabriano (Fig. 3) dopo il danneggiamento delle parti non strutturali durante lo sciame sismico avvenuto tra Marche ed Umbria nel 1997-1998. In questo caso, i dispositivi di isolamento vennero inseriti tra nuovi plinti di fondazione ed i plinti esistenti, che originariamente erano sostenuti da due pali.

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