Retrofit sismico mediante l'innovativo esoscheletro ibrido legno-alluminio su telai in c.a.

Il progetto europeo ERIES-RESUME, ideato e sviluppato dagli autori, e successivamente implementato presso il laboratorio di Ingegneria Sismica IZIIS dell’Università di Skopje in Macedonia del Nord, ha sperimentato un innovativo sistema ibrido costituito da elementi strutturali principali in legno lamellare, pannelli in alluminio e isolamento in sughero su due modelli gemelli di edifici in calcestruzzo armato in scala 1:3.

Le prove su tavola vibrante hanno evidenziato una significativa riduzione dei drift interpiano e del danneggiamento, mostrando le potenzialità della soluzione per interventi di retrofit integrati, leggeri e sostenibili.

Esoscheletri strutturali per edifici esistenti in c.a.: come funzionano e quando convengono

Patrimonio non duttile e retrofit senza interruzione d'uso

Una parte rilevante del patrimonio edilizio europeo, in particolare nell’area mediterranea (Londono-Lopez et al., 2026), è stata realizzata prima dell’introduzione dei moderni criteri di progettazione sismica e oggi presenta, insieme a vulnerabilità strutturali, anche carenze energetiche e funzionali. Per gli edifici residenziali e, soprattutto, per scuole, ospedali, impianti produttivi e infrastrutture strategiche, la sfida non consiste soltanto nell’aumentare la sicurezza, ma nel farlo riducendo al minimo i tempi di cantiere, il trasferimento degli utenti e le interruzioni del servizio.

In questo quadro si collocano gli esoscheletri strutturali: sistemi resistenti aggiunti all’esterno dell’edificio e collegati alla struttura esistente in punti opportunamente identificati. L’esoscheletro può incrementare rigidezza e resistenza alle azioni orizzontali, oppure allocare dispositivi dissipativi, trasferendo una parte significativa della domanda sismica dalla costruzione esistente al nuovo sistema. Le configurazioni possono essere bidimensionali o tridimensionali e disposte parallelamente o ortogonalmente alla facciata.

Vantaggi: bassa invasività, prefabbricazione, integrazione con l'involucro

Il vantaggio più immediato è la bassa invasività. Concentrando l’intervento all’esterno, l’interferenza con travi, pilastri, solai e ambienti interni si riduce essenzialmente alle zone di collegamento. Prefabbricazione, montaggio a secco e modularità possono inoltre ridurre la durata del cantiere.

La nuova “seconda pelle” può integrare isolamento termico, elementi di facciata e riqualificazione architettonica, trasformando il rinforzo sismico in un intervento più ampio di rigenerazione, anche di natura energetica ed estetica.

Gli esoscheletri non rappresentano tuttavia una soluzione automatica. È necessario governare con attenzione il trasferimento delle forze sui collegamenti e delle azioni sulle fondazioni, che in alcuni casi possono richiedere rinforzi appositamente progettati, nonchè la distribuzione della rigidezza lungo il perimetro, così da evitare effetti torsionali indesiderati.

Anche l’aumento di rigidezza deve essere valutato nel quadro della risposta dinamica complessiva, poiché la riduzione del periodo può modificare la domanda spettrale e, nel caso di strutture complesse, una valutazione basata esclusivamente sul primo modo di vibrare può risultare inefficace.

Dall'acciaio ai sistemi ibridi: le ricerche di PoliTo e Federico II

La ricerca condotta al Politecnico di Torino ha affrontato questi temi sia sul piano applicativo sia su quello dell’ottimizzazione.

Nel caso dell’aeroporto di Foggia, un sistema di esoscheletri metallici tridimensionali ha consentito di trasferire all’esterno circa la metà della domanda strutturale, evidenziando al tempo stesso la necessità di una corretta valutazione multimodale.

In lavori successivi sono state sviluppate procedure di ottimizzazione che determinano numero, posizione e dimensioni degli esoscheletri, minimizzandone peso e costo e controllando i drift interpiano (Cucuzza et al., 2024; Olivo et al., 2024).

In parallelo, all’Università di Napoli Federico II sono state studiate soluzioni leggere di “cappotto sismico-energetico” in acciaio formato a freddo e in alluminio, applicate a edifici in c.a. e muratura.

Queste ricerche hanno dimostrato la possibilità di coniugare efficacia del rinforzo, rapidità di posa in opera e isolamento termico, attraverso analisi numeriche e prove cicliche condotte su telai tamponati (Meglio et al., 2023, 2024; Formisano et al., 2025; Formisano e Longobardi, 2026).

L’acciaio resta il materiale di riferimento per molti esoscheletri grazie al rapporto resistenza/peso, alla prefabbricabilità e alla reversibilità.

Ma la ricerca si sta spostando verso sistemi ibridi, nei quali materiali e funzioni vengono separati e ottimizzati: elementi lignei per il telaio, pannelli metallici sottili per la resistenza nel piano, materiali bio-based o riciclati per l’isolamento termico ed acustico.

L’obiettivo non è soltanto “sostituire l’acciaio”, ma ridurre massa e quantità di materiale, favorire smontabilità e riciclo e aprire la strada verso un retrofit integrato e sostenibile.

I benefici ambientali ed economici devono naturalmente essere verificati con analisi del ciclo di vita e del rapporto costo-beneficio, non dedotti dal solo materiale impiegato.

Esoscheletri: opportunità e punti di attenzione

Il progetto ERIES-RESUME: esoscheletro in legno lamellare GL24h, alluminio e sughero

In questo contesto di ricerca si inserisce RESUME, progetto di accesso transnazionale sviluppato nell’ambito di ERIES – Engineering Research Infrastructures for European Synergies – e finanziato dal programma Horizon Europe (Grant Agreement 101058684).

La campagna è stata progettata e condotta dai gruppi del Politecnico di Torino e dell’Università di Napoli Federico II insieme all’Institute of Earthquake Engineering and Engineering Seismology (IZIIS) di Skopje, dove sono state eseguite prove su tavola vibrante su telai tamponati in c.a. prima e dopo l’inserimento di un innovativo sistema di esoscheletro (Formisano A. et al. 2026).

Componenti del sistema

L’idea sperimentata è un esoscheletro ibrido: telai in legno lamellare GL24h costituiscono l’ossatura esterna, mentre pannelli di lega di alluminio lavorano come pareti resistenti a taglio, aumentando la rigidezza laterale e limitando le deformazioni.

Piastre, angolari e viti zincate collegano i diversi componenti; per l’ancoraggio alla struttura in c.a. sono utilizzati perni in acciaio in corrispondenza dei nodi trave-pilastro e delle travi di fondazione.

Al sistema è associato uno strato di sughero espanso riciclato, pensato per integrare l’ulteriore beneficio dell’isolamento termico al fine di migliorare le prestazioni energetiche dell’edificio.

La campagna non aveva l’obiettivo di misurare le prestazioni termiche: il sughero ha quindi solo la funzione potenziale di ridurre le dispersioni termiche dell’involucro, mentre la verifica sperimentale ha riguardato esclusivamente la risposta sismica.

Rinforzo preventivo e post-danno: il disegno sperimentale

L’aspetto distintivo di RESUME è anche metodologico: lo stesso sistema è stato valutato sia come rinforzo preventivo di una struttura integra, sia come intervento applicato dopo un danneggiamento sismico significativo. Questo consente di distinguere l’efficacia del retrofit in due condizioni iniziali realistiche e significativamente diverse.

Aspetti generali: progettazione e implementazione delle prove

Modelli in scala 1:3 e prove su tavola vibrante presso IZIIS

Sono stati realizzati due modelli gemelli, denominati Model X e Model Y, in scala geometrica 1:3. I prototipi riproducono edifici intelaiati in c.a. non duttili tipici della costruzione pre-anni Settanta dei paesi dell’area mediterranea Europea: assenza di criteri di gerarchia delle resistenze, armatura trasversale limitata e telai efficaci soprattutto in una direzione.

Entrambi i modelli hanno due piani, lunghezza complessiva 4,2 m, altezza del piano inferiore 1,5 m e di quello superiore 1,0 m. I due telai longitudinali sono distanziati di 1,4 m; travi e pilastri hanno sezioni rispettivamente 10×15 cm e 10×10 cm, con tamponature in laterizio forato nelle campate di estremità.

Le solette in c.a., spesse 6 cm, collegano i telai. Per migliorare la similitudine inerziale sono state aggiunte in sommità otto masse in acciaio da 400 kg, per complessivi 3,2 t. La scala temporale è stata definita secondo la similitudine adottata, con t_model = t_prototype/√3, mentre l’accelerazione mantiene fattore di scala unitario. Questa impostazione consente di concentrare la massa sismica senza alterare artificialmente le proprietà del calcestruzzo.

L’esoscheletro è stato montato sulle facciate esterne, lasciando libera la campata longitudinale centrale per l’ispezione visiva e la strumentazione. I pannelli di alluminio, collegati al telaio ligneo mediante angolari zincati, hanno spessore 2 mm. Il pannello isolante in sughero espanso puro ha spessore 10 mm; nella configurazione di prova il sistema è quindi leggero, modulare e ispezionabile, con connessioni progettate in accordo con gli Eurocodici e la normativa tecnica italiana.

Le prove sono state eseguite sulla tavola vibrante 5×5 m del laboratorio dinamico IZIIS di Skopje, con portata fino a 40 t e cinque gradi di libertà. La risposta è stata misurata con 15 accelerometri, 4 potenziometri lineari, 10 LVDT e 30 estensimetri, così da seguire durante le prove accelerazioni, spostamenti assoluti e relativi, deformazioni locali e variazioni delle proprietà dinamiche.

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FAQ tecniche: Esoscheletri per edifici in c.a.: drift e danni nelle prove sismiche

Che cos’è un esoscheletro strutturale per il retrofit sismico?

È un sistema resistente aggiunto all’esterno di un edificio e collegato alla struttura esistente. Può contribuire a contrastare le azioni orizzontali e a controllare gli spostamenti. Nel progetto ERIES-RESUME il telaio esterno è in legno lamellare e i pannelli resistenti nel piano sono in alluminio.

Per quali edifici può essere preso in considerazione?

Il caso studiato riproduce telai in calcestruzzo armato non duttili, rappresentativi di edifici costruiti prima dei moderni criteri sismici. L’intervento esterno è di particolare interesse quando si vuole limitare l’interferenza con gli spazi occupati. L’applicabilità a un edificio reale richiede una valutazione specifica della struttura e del sito.

Quale vantaggio è stato misurato nelle prove?

Le prove hanno rilevato un migliore controllo del drift e una minore progressione del danno nei modelli rinforzati. Il drift massimo riportato è circa 2,5% senza rinforzo, 0,8% dopo il rinforzo del modello danneggiato e 0,5% nel modello protetto preventivamente. I valori appartengono a fasi con intensità massime di eccitazione diverse e non costituiscono prestazioni garantite per edifici reali.

Quali sono i nodi principali della progettazione e dell’applicazione?

Occorre verificare il trasferimento delle forze attraverso i collegamenti, le azioni sulle fondazioni e la distribuzione della rigidezza lungo l’edificio. Nel prototipo, l’esoscheletro è stato ancorato in corrispondenza dei nodi trave-pilastro e delle travi di fondazione. Dimensionamento e dettagli esecutivi vanno definiti per la struttura interessata.