PROTEZIONE SISMICA

Per la protezione sismica degli edifici esistono sostanzialmente tre diverse tipologie di tecniche:

1. Controllo attivo  -  2. Controllo passivo  -  3. Controllo ibrido

Il controllo attivo. Questa tecnica si realizza con dispositivi controllati elettronicamente che applicano alla struttura delle forze dinamiche di segno opposto a quelle generate dal sisma.

Tali caratteristiche lo rendono più utilizzabile per altre applicazioni (controllo di vibrazioni dovute al vento, funzionamento di macchinari, ecc.) che per la protezione antisismica.

Il controllo passivo. Questa seconda tecnica è quella che attualmente viene maggiormente sperimentata ed applicata. La metodologia viene applicata considerando due diversi sistemi: l’isolamento sismico alla base dell’edificio e la dissipazione di energia.

L’isolamento sismico per la protezione delle costruzioni

L’isolamento sismico consiste nel modificare l’input sismico riducendo le accelerazioni trasmesse alle costruzioni, allo scopo di innalzarne la resistenza allo stato limite di danno e di aumentarne la sicurezza ultima. Negli anni ‘80 e ‘90 le tecniche di isolamento sono state applicate in Italia per la protezione sismica di oltre 100 viadotti autostradali. Gli impalcati sono stati “separati” dalle pile e dalle spalle mediante appoggi elasto-palstici, dal comportamento prevalentemente dissipativo. Si è operato così per adeguare strutture esistenti e per proteggerne di nuove. L’industria italiana ha prodotto dispositivi di elevata qualità, che poi sono stati utilizzati per alcuni viadotti degli Stati Uniti e per importanti opere in Turchia, a Taiwan, ecc.
Nel settore dell’edilizia civile l’isolamento si applica con criteri in parte differenti, ma sostanzialmente analoghi. Si usano dispositivi gomma-acciaio prevalentemente elastici, più semplici, di facile impiego e di basso costo.

Sostanzialmente questi dispositivi sono di due tipi: isolatori in materiale elastomerico più acciaio ed isolatori a scorrimento o a rotolamento.

Gli isolatori elastomerici armati sono costituiti da strati di elastomero (gomma naturale, neoprene od altri materiali prodotti artificialmente), alternati a lamierini di acciaio che riducono la deformabilità assiale dei dispositivi per effetto del confinamento dell'elastomero, senza influenzare in modo apprezzabile la deformabilità orizzontale degli isolatori. Questo tipo di isolatori realizza, attraverso il comportamento pseudo-elastico che li caratterizza, un effettivo allungamento del periodo proprio ed un’apprezzabile dissipazione di energia. Questa tecnologia, collaudata positivamente dai recenti terremoti giapponesi e americani, mette l’edificio in grado di resistere a terremoti distruttivi di intensità del grado IX-X Mercalli senza alcun danno né alle strutture né alle finiture, con un conseguente annullamento dei costi di riparazione e, cosa fondamentale, con probabilità di perdita di vite umane prossima allo zero.

Gli isolatori a scorrimento o a rotolamento sono costituiti rispettivamente da appoggi a scorrimento, basati sul contatto tra acciaio e teflon, o a rotolamento (su rulli o sfere), caratterizzati da bassi valori delle resistenze per attrito. A questo tipo di isolatori sono in genere accoppiati elementi o dispositivi destinati alla dissipazione di energia e/o al ricentraggio della struttura al termine dell’azione sismica.

Tra i dispositivi in grado di ricentrare la struttura e, anche, di dissipare energia, sono stati messi a punto di recente dispositivi basati sulle particolari caratteristiche meccaniche delle Leghe a Memoria di Forma (LMF). Questi materiali, costituiti tipicamente da leghe nichel-titanio, presentano la capacità, inusuale per altri tipi di materiali, di "ricordare" la propria forma originale. Questo comportamento meccanico è correlato ad una trasformazione della struttura cristallina che si verifica all'interno della lega, nota come trasformazione martensitica termoelastica, grazie alla quale si presentano due fasi nello stato solido, in funzione della temperatura a cui si sottopone il materiale.

La possibilità di utilizzare, in un unico dispositivo, elementi in entrambe le fasi solide (martensitica ed austenitica), rende possibile ottenere isolatori con comportamenti molto interessanti, in quanto possiedono buona capacità dissipativa ed ottime capacità di ricentraggio, anche dopo terremoti di elevata intensità, oltre ad una notevolissima resistenza a fatica ed all’eliminazione di interventi manutentori.

In genere è necessario che gli spostamenti subiti dalle strutture isolate per effetto dell'azione sismica siano contenuti entro valori tollerabili, per contenere le dimensioni dei giunti strutturali e per non creare problemi ai collegamenti degli impianti.

Per le strutture isolate sono infatti da prevedere collegamenti flessibili per tutti gli impianti che dalla quota del terreno sono collegati alla sovrastruttura.

Per quanto riguarda l’intervento su strutture esistenti, le due tecnologie descritte consentono di ottenere livelli di sicurezza nettamente superiori a quelli ottenibili con interventi di adeguamento sismico tradizionale, e sono sicuramente indicati per edifici pubblici o che necessitino di livelli di protezione maggiori (scuole, caserme, ospedali, ecc.).

In particolare l’isolamento sismico, quando applicabile, è tra i meno invasivi, in quanto spesso consente di non intervenire assolutamente sulle strutture dei piani superiori al primo, con una notevole diminuzione dei costi legati al rifacimento delle finiture.

Alcuni centri di ricerca, come quelli delle Facoltà di ingegneria di Perugia e della Basilicata, nonché il centro specialistico dell’Enea, Ente per le nuove tecnologie, l'energia e l'ambiente, sono stati molto attivi e hanno fornito un valido supporto per gli sviluppi di queste ricerche e sperimentazioni. Fin dagli anni Ottanta, quello di Perugia ha svolto attività di ricerca riguardanti gli aspetti progettuali e di redditività relativi alle strutture dei ponti e dell’edilizia civile. Sotto la guida del prof. A. Parducci, ha svolto una collaborazione con lo “Yunnan Design Institute” della Repubblica Popolare Cinese, in seguito alla quale, nella città di Kunming, quell’Istituto ha poi progettato 40 edifici isolati alla base.

Il funzionamento dell'isolamento alla base e caratteristiche dei moti sismici

Per comprendere il funzionamento dell’isolamento alla base occorre esaminare le caratteristiche dei moti sismici. Queste sono ben note e conducono alle altrettanto note forme spettrali di risposta illustrate nella figura riportata a fianco.

Gli spettri delle accelerazioni Sa presentano forti amplificazioni nel campo dei piccoli periodi di oscillazione, minori di 0.6÷0.8 secondi, dove si trova la maggior parte delle costruzioni dell’edilizia corrente.

Le stesse accelerazioni di risposta però, diminuiscono rapidamente quando i periodi di oscillazione crescono oltre questi valori. Ciò significa che il sisma trasmette energia in un campo di frequenze ben definito e piuttosto elevato.

Per quel che riguarda la ricerca in Basilicata, si segnala l’importante esperimento effettuato a Rapolla (PZ) ove è stata portata a termine una serie di test dinamici, forse unici al mondo, su un edificio dotato di isolamento sismico alla base, costruito dall’ATER (Azienda Territoriale per l’Edilizia Residenziale).

I test sono stati effettuati dal Laboratorio di Strutture del DiSGG (Dipartimento di Strutture, Geotecnica, Geologia applicata) dell’Università della Basilicata.

L’edificio oggetto delle prove ha 3 piani ed è dotato di un sistema di isolamento sismico che utilizza isolatori in gomma. Questa tecnologia, collaudata positivamente dai recenti terremoti giapponesi e americani, mette l’edificio in grado di resistere a terremoti distruttivi di intensità del IX – X grado Mercalli senza alcun danno né alle strutture né alle finiture.

Data la natura sperimentale dell’edificio di Rapolla, il sistema di isolamento è stato concepito in modo da accogliere un secondo sistema di isolamento, alternativo a quello in gomma, che utilizza apparecchi di appoggio a scorrimento (acciaio-teflon) e dispositivi di ricentraggio basati sulle leghe superelastiche a memoria di forma al Nichel-Titanio. Quest’ultima tecnologia innovativa è stata oggetto di una ricerca Europea (MANSIDE), svolta dal DiSGG dell’Università della Basilicata, in collaborazione con altri 7 partner di istituzioni accademiche e industriali europei, tra i quali la TIS S.p.A., fornitrice del sistema di isolamento e del dispositivo di prova di Rapolla, e coordinata dal Servizio Sismico Nazionale. In tale ambito sono state studiate e sperimentate le modalità di utilizzazione delle leghe a memoria di forma per la protezione sismica delle strutture, realizzando anche i due dispositivi utilizzati nel secondo sistema di isolamento dell’edificio ATER.

Le prove sono state progettate per essere svolte in due riprese.

Nella prima viene sperimentato il sistema di isolamento su gomma, quello che poi resterà attivo in maniera definitiva, quando l’edificio sarà regolarmente abitato. Nella seconda viene sperimentato il secondo sistema di isolamento, quello basato sulla lega al Nichel Titanio, che verrà rimosso al termine delle prove.

Le prove consistono nell’imprimere alla base dell’edificio, immediatamente al di sopra del sistema di isolamento, uno spostamento dell’ordine di 10-15 cm. A questo punto il dispositivo di prova libera istantaneamente l’edificio così da farlo oscillare liberamente per qualche secondo. Le forze in gioco sono enormi, dell’ordine delle 200-300 tonnellate per spostare l’edificio, che pesa circa 2000 tonnellate.

Prove di questo tipo, con la medesima tecnologia, sono già state effettuate dal Laboratorio del DiSGG su uno dei due edifici dotati di isolamento alla base della nuova sede di Macchia Romana dell’Università della Basilicata. In quell’occasione, date le dimensioni nettamente superiori e le masse in gioco, per un peso di circa 20000 tonnellate, fu possibile arrivare ad uno spostamento massimo di circa 2 cm. Prove analoghe, ma con modalità diverse, sono state effettuate solamente ad Ancona dall’ISMES su un edificio isolato della TELECOM, raggiungendo uno spostamento massimo di 10 cm.

Per le prove sull’edificio di Rapolla era previsto il raggiungimento di uno spostamento di 150 mm, spostamento che rappresenta il pieno collaudo dell’edificio e del sistema di isolamento, corrispondendo a quello che imprimerebbe alla struttura un terremoto distruttivo.

Nel corso della prova si è raggiunto uno spostamento orizzontale di quasi 15 cm (143 mm). Dopo lo sgancio, al termine di oscillazioni via via decrescenti e durate quasi 10 sec., l’edificio ha recuperato la sua posizione originaria, senza subire il minimo danno.

Notevole è stata l’impressione destata sul pubblico presente, sia per chi, dall’esterno, ha potuto osservare l’edificio che oscillava rigidamente senza apparenti deformazioni, sia per chi, dall’interno, ha potuto provare la sensazione di un terremoto distruttivo nettamente "ammorbidito" dall’isolamento sismico. Quest’ultimo, infatti, trasforma gli spostamenti bruschi e disordinati del terreno in morbide oscillazioni "quasi da altalena". Alcune bottiglie, disposte a scopo dimostrativo sul pavimento e sui parapetti, sono rimaste al loro posto, senza cadere, a ulteriore riprova dell’efficacia dell’isolamento non solo nell’evitare i danni all’edificio, ma anche i danni agli oggetti al suo interno e ridurre sensibilmente il panico nelle persone.

Tecnica della Dissipazione di Energia. Le tecniche di dissipazione dell'energia consistono nell'inserimento nella struttura di "controventi dissipativi", in cui sono inseriti a loro volta dei "dissipatori", capaci, sotto l'azione sismica, di assorbire grandi quantità di energia.

In questo caso, a differenza di quanto accade con l'isolamento sismico, l'energia fornita dal sisma alla struttura resta immutata, ma viene in gran parte assorbita dai dissipatori, con conseguente significativa riduzione delle sollecitazioni e degli spostamenti richiesti alla struttura e dunque dell'entrata in campo plastico.

Anche con questa tecnologia, grazie alla forte limitazione degli spostamenti interpiano, vengono fortemente limitati i danni alle parti non strutturali dell’edificio, oltre che ovviamente, alle strutture portanti.