Isolamento sismico: passato, presente e futuro

Paolo Clemente - ENEA Centro Ricerche Casaccia, Rom 22/02/2017 9311

Sintesi della keynote lecture tenuta alla 16th World Conference on Earthquake Engineering, Santiago del Cile, 12 gennaio 2017

INTRODUZIONE
Il numero di strutture protette da moderni sistemi antisismici è cresciuto notevolmente negli ultimi anni, tanto che un elenco completo è oramai impossibile. Dati affidabili si hanno fino al 2014, quando almeno 24000 strutture erano protette da sistemi passivi, come l’isolamento sismico e la dissipazione di energia e comprendevano diverse tipologie strutturali: edifici, ponti, beni culturali e impianti industriali, realizzate con diversi materiali, ossia cemento armato, muratura, acciaio o legno.
Il principio di base dell’isolamento sismico è ben noto: s’incrementa il periodo proprio di vibrazione della struttura al fine di ridurre sensibilmente le accelerazioni nella stessa; tale riduzione di accelerazione viene pagata in termini di spostamenti che, però, sono concentrati negli isolatori, alla base della struttura. Si ottiene così il disaccoppiamento del moto della struttura rispetto a quello del suolo ed è possibile progettare in campo elastico.
È un’idea forse geniale ma non nuova. Già Plinio il Vecchio nella sua Naturalis Historia (I secolo d.C.) scriveva del Tempio di Diana a Efeso, una delle sette meraviglie del mondo antico realizzato nel VI secolo a.C., che l’indagine storica ha rivelato essere fondato su un sottile strato paludoso dal quale era separato tramite uno strato di argilla mista a carbone e cenere. Diogene Laerzio (III secolo d.C.) attribuì l’utilizzo di questa tecnica a Theodoros di Samo (VI secolo a.C.), che ne aveva adottato anche un’altra simile, basata su un sottile e continuo strato di ghiaia a sua volta poggiante su uno di sabbia di spessore maggiore. Molte colonie greche dello stesso periodo sul Mar Nero avevano fondazioni simili. Anche le mura di Troia erano poggiate su un compatto “cushion of earth”, come definito dallo scopritore Blegen, che separava la fondazione dal suolo rigido, e il Tempio di Atena e altri due templi dorici a Paestum hanno uno strato di sabbia tra le fondazioni e il suolo rigido. La stessa tecnica è stata utilizzata anche dall’altra parte del globo, in Perù, nel Monastero di Santa Catalina a Arequipa e, probabilmente per le maestose mura di Cuzco.
Nel 1868 Stevenson sviluppo l’Aseismatic Joint, costituito da sfere in nicchie, per proteggere i sistemi di illuminazione a Tokyo. L’idea fu ripresa subito dopo da Touaillon che, nel 1870, brevettò un sistema di isolamento con sfere in nicchie ellissoidali, il cui principio era del tutto simile a quello degli attuali isolatori a scorrimento a superfici curve. Contemporaneamente Cooper brevettò il primo sistema di isolamento con isolatori in gomma. Di particolare interesse è la proposta di Calantarientes che, nel 1909, inserì uno stato di talco tra struttura e fondazione e si preoccupò di considerare dispositivi che consentissero ampi spostamenti delle tubazioni e avessero una certa rigidezza a fronte di azioni sismiche deboli e del vento.
Nel 1965 fu realizzato a Skopje il primo edificio isolato dell’era moderna: i dispositivi, regalati dalla Svizzera, erano quadrati e composti di sola gomma, con ovvi problemi di deformabilità verticale. I moderni isolatori nacquero negli anni ’70, quando la Malaysian Rubber Producers’ Research Association produsse in Inghilterra i primi dispositivi in acciaio-gomma mediante un processo di vulcanizzazione. Nel 1978, l’Electricite-de-France iniziò a Cruas in Francia la costruzione del primo impianto nucleare dotato di isolamento sismico, composto da 4 PWR, aventi una potenza totale di 3600 MWe, entrati poi in funzione nel 1984. L'isolamento consentì di utilizzare al sito di Cruas, caratterizzato da un’accelerazione al suolo di 0.3 g, lo stesso progetto standardizzato degli altri impianti realizzati in siti con accelerazione di 0.2 g.
Solo nella seconda metà degli anni ’80 l’isolamento sismico iniziò a diffondersi anche per le strutture civili. Oggi si utilizzano principalmente isolatori elastomerici a elevato smorzamento, isolatori a scorrimento a superfici piane, isolatori a scorrimento a superfici curve e dispositivi a ricircolo di sfere, comuni in Giappone ma non in altri paesi probabilmente per il loro costo. Va ricordato che l’adozione di moderne tecnologie consente di raggiungere un grado di sicurezza non perseguibile con tecniche tradizionali e che gli edifici dotati di moderni sistemi di protezione sismica hanno superato indenni terremoti violenti in vari paesi del mondo.

APPLICAZIONE DI MODERNI SISTEMI ANTISISMICI NEL MONDO
Il paese leader per l’applicazione dell’isolamento sismico è il Giappone, dove un notevole incremento del numero di applicazioni si è avuto grazie anche all’eccellente comportamento di due edifici sismicamente isolati durante il terremoto di Hyogo-ken Nanbu del 1995 (M=7.3). Anche successivamente, tutti gli edifici isolati hanno mostrato un ottimo comportamento durante eventi sismici violenti, incluso il terremoto di Tohoku del 2011. Lo stesso è avvenuto per ponti e viadotti dotati di isolamento sismico ma, purtroppo, molti di essi sono stati distrutti dal successivo tsunami. In Giappone l’isolamento sismico è utilizzato anche per edifici alti, incrementando opportunamente il periodo di vibrazione e lo smorzamento per contenere gli spostamenti, e per realizzare gli artificial ground, ossia impalcati isolati sismicamente dai quali spiccano diversi edifici separati tra loro.
In Cina, secondo paese per applicazione di moderni sistemi di protezione sismica, sono in costruzione diversi quartieri residenziali di edifici isolati sismicamente. Anche qui, un notevole sviluppo si è avuto a seguito dell’eccellente risposta di edifici protetti con isolamento alla base a fronte di eventi sismici violenti. Nel 2008 due edifici in c.a. e un edificio in muratura di 6 piani superarono indenni il terremoto del Wenchuan (MW=7.9), mentre edifici tradizionali furono gravemente danneggiati. Durante il terremoto di Lushan del 20 aprile 2013 (MW=7.0), caratterizzato da un picco di accelerazione ben maggiore del valore di progetto per quell’area, numerosi edifici furono gravemente danneggiati mentre gli edifici isolati sismicamente mostrarono un ottimo comportamento. In particolare, due edifici dell’ospedale con fondazioni tradizionali furono severamente danneggiati, mentre un terzo, isolato sismicamente, rimase operativo consentendo il ricovero di migliaia di feriti (Fig. 1).
L’isolamento sismico ha avuto un notevole sviluppo anche in Russia, dove è stato utilizzato sia per l’adeguamento di edifici storici sia per edifici alti, soprattutto a Sochi, sede delle olimpiadi invernali del 2014 (Fig. 2).
Negli USA, invece, il numero di edifici isolate sismicamente resta limitato a causa di una normativa penalizzante e ciò nonostante l’ottimo comportamento di tali strutture durante eventi sismici violenti, tra cui quello di Northridge del 1994. Alcune interessanti applicazioni hanno riguardato edifici storici.
L’isolamento sismico è diffuso, anche se in misura minore anche in altri paesi, quali Corea del Sud, Taiwan, Armenia, Nuova Zelanda, Francia, Turchia, Messico, Canada e Cile. In molti casi sono stati utilizzati dispositivi di produzione italiana.



(a)                                                                        (b)
Fig. 1 – L’ospedale di Lushan, Cina: (a) danni a uno dei due edifici tradizionali; (b) edificio isolato pienamente funzionante dopo il sisma.



(a)                                                     (b)
Fig. 2 – L’ hotel Hayat a Sochi: (a) vista; (b) alcuni dei 193 HDRB prodotti in Italia.

L’ISOLAMENTO SISMICO IN ITALIA
In Italia le prime applicazioni furono quelle del Viadotto Somplago (1975, Fig. 3), di due edifici strategici a Napoli (1981, progetto F.M. Mazzolani) e dell’edificio Telecom di Ancona (1991, progetto G. Giuliani), quest’ultimo collaudato mediante una prova di rilascio. Nonostante la partenza brillante, lo sviluppo dell’isolamento sismico in Italia è stato limitato, frenato dalla mancanza di una normativa che ne disciplinasse l’uso e scoraggiato dai processi di approvazione molto lunghi, fino al terremoto di San Giuliano di Puglia del 2002.



Fig. 3 – Il viadotto Somplago

A seguito di tale evento fu messa a punto una nuova normativa (OPCM 3274/2003) che semplificava l’adozione delle moderne tecnologie. La nuova scuola di San Giuliano di Puglia fu la prima in Italia con isolamento sismico, costituito da 61 isolatori elastomerici e 13 isolatori a scorrimento a superfici piane. La struttura è composta da due edifici poggianti su un unico impalcato di base, isolato sismicamente (Fig. 4).



(a)                                                                      (b)
Fig. 4 – La nuova scuola Jovine di San Giuliano di Puglia: (a) vista, (b) isolatori.

Numerose sono le applicazioni nell’ambito degli edifici scolastici, quali il nuovo blocco B dall’edificio scolastico Romita di Campobasso, la nuova scuola di Marzabotto e quella di Mulazzo, ma una delle più interessanti applicazioni è il nuovo Centro di Protezione Civile regionale di Foligno, che comprende diversi edifici isolati tra cui il Centro Operativo, un edificio di forma emisferica, alto 22 m e con diametro di 31 m, poggiante sulla fondazione tramite 10 isolatori elastomerici ad alto smorzamento (diametro = 1000 mm, rigidezza orizzontale = 1310 kN/m, fattore di smorzamento = 10%) disposti lungo il perimetro, che determinano una frequenza fondamentale della struttura isolata pari a 0.38 Hz.
Sia la nuova scuola Jovine di San Giuliano di Puglia sia il Centro Operativo del nuovo Centro di Protezione Civile regionale di Foligno sono muniti di sistemi di monitoraggio sismico realizzati nell’ambito di progetti di ricerca organizzati dall’ENEA.
L’uso dell’isolamento sismico ha avuto un notevole sviluppo in Italia grazie al progetto C.A.S.E.: 184 edifici prefabbricati in legno, c.a. o acciaio, realizzati in breve tempo per i senzatetto del terremoto dell’Aquila del 2009, ciascuno poggiante su una piastra in c.a., appoggiata su pilastri circolari tramite isolatori scorrevoli a superfici curve (Fig. 5). Successivamente, infatti, l’isolamento sismico è stato utilizzato in molti casi sia per la costruzione di nuovi edifici sia per l’adeguamento di edifici esistenti.



(a)                                                                         (b)
Fig. 5 – Uno degli edifici del Progetto C.A.S.E.: (a) vista, (b) isolatore a scorrimento con superfici curve.

L’isolamento sismico è stato utilizzato anche per gli edifici in muratura. Al riguardo, ENEA e ANDIL hanno organizzato un progetto di ricerca con l’obiettivo di realizzare un edificio strategico in muratura di laterizio, nel quale l’uso dell’isolamento alla base ha consentito una maggiore flessibilità architettonica e il rispetto dei massimi standard in termini di efficienza energetica.

[...] L'ARTICOLO CONTINUA NEL PDF

ALL'INTERNO DELL'ARTICOLO LA TRATTAZIONE DELLE VARIE TIPOLOGIE DIN ISOLAMENTO SISMICO PER EDIFICI ESISTENTI IN CA, IN MURATURA, STORICI, ECC.