Eurocodice 8, dispositivi antisismici: sistemi di isolamento e dissipazione

La recente revisione dell’Eurocodice 8, che disciplina la progettazione delle strutture con isolamento sismico e con sistemi di dissipazione aggiunta, rappresenta una evoluzione significativa non solo dal punto di vista formale, ma soprattutto concettuale.

A differenza della versione del 2004, l’aggiornamento attuale integra in modo più organico i dispositivi all’interno del sistema strutturale complessivo, legandosi in maniera più stretta ai principi espressi dall’EC0 - Basis of structural design e, in particolare, alla gestione del rischio sismico.

Il primo passo in questa direzione è stato il riallineamento terminologico e concettuale con le norme di prodotto, in particolare con l’EN 15129 Antiseismic Devices, facilitando così l’integrazione tra progettazione strutturale e scelta dei dispositivi.

La progettazione di una struttura con sistemi di isolamento e dissipazione secondo le prescrizioni dell’Eurocodice oggi è più legata al comportamento atteso dei dispositivi, riducendo le ambiguità a beneficio dell’affidabilità complessiva del sistema.

Tuttavia, al di là dell’uniformità linguistica, l’elemento di maggiore rilievo è la riformulazione del coefficiente g_x, un parametro che ha un impatto diretto sul dimensionamento, sulla sicurezza e sui costi dei dispositivi di isolamento e dissipazione aggiunta.

Il coefficiente γ_x: parametro chiave per l’affidabilità dei dispositivi antisismici

Il coefficiente γ_x è un moltiplicatore della capacità di spostamento di progetto dei dispositivi antisismici e assume il ruolo di coefficiente di sicurezza in relazione alle incertezze del processo di progettazione, costruzione e installazione.

Nella versione precedente della norma, i valori raccomandati – 1,2 per edifici e 1,5 per ponti – non erano direttamente definiti attraverso un approccio probabilistico, senza un chiaro legame con gli stati limite e, soprattutto, con il concetto di rischio target.

Il cambiamento introdotto nell’EC8-2G nasce dall’esigenza di evitare che i dispositivi antisismici, pur progettati in modo apparentemente conservativo, potessero paradossalmente portare a una probabilità di collasso superiore rispetto alle strutture a base fissa (Cardone et al, 2019). Questo dato ha imposto una riflessione critica sul significato attribuito al concetto di spostamento di progetto.

Il punto cruciale risiede nella definizione dello stato limite ultimo dei dispositivi, variabile in base al meccanismo di funzionamento e alle caratteristiche geometriche e fisiche:

• negli isolatori a pendolo scorrevole, lo spostamento massimo coincide con il limite fisico delle superfici di scorrimento curve; oltre tale soglia, il pattino esce dalla sede, subendo danneggiamenti locali progressivi e causando variazioni indesiderate di attrito e forze di taglio;
• nei dispositivi in gomma, il superamento dello spostamento di progetto provoca deformazioni tangenziali crescenti che possono generare danneggiamenti o instabilità, con conseguente perdita di efficacia;
• nei dispositivi di smorzamento aggiunto lo spostamento massimo è legato al meccanismo di dissipazione, la corsa fisica nei dissipatori a pistone (viscosi o a frizione), la deformazione massima in quelli isteretici, ecc.

In occasione dell'evento di Pavia organizzato da Eucentre e ReLUIS, INGENIO ha intervistato in esclusiva il prof. Alberto Pavese.

Un nuovo approccio probabilistico

La revisione del coefficiente γ_x si basa sul medesimo impianto teorico utilizzato per la calibrazione dei coefficienti parziali di sicurezza nella progettazione agli spostamenti (Franchin e Noto, 2023), assumendo come obiettivo una probabilità di collasso pari a 2 × 10⁻⁴, in linea con gli standard definiti dall’EC8-2G.

La validazione dei valori ottenuti è stata condotta mediante un’analisi probabilistica multi-striscia (Jalayer and Cornell, 2009) applicata a due edifici tipo, caratterizzati da configurazioni geometriche differenti e dotati di isolamento alla base. Gli edifici e i sistemi di isolamento sono stati progettati utilizzando tre differenti tipologie di dispositivi:

• a pendolo scorrevole;
• in gomma;
• in gomma con nucleo in piombo.

Le azioni di progetto sono state definite considerando periodi di ritorno TR pari a 475 anni e 1600 anni, corrispondenti rispettivamente agli stati limite di danno severo (SD) e di prevenzione del collasso (NC), come previsto dall’EC8-2G.

In seguito sono state eseguite analisi dinamiche non lineari con livelli crescenti di intensità sismica, da cui sono state ricavate le curve di fragilità relative allo stato limite di collasso. Per ciascun livello di intensità dell’analisi multi-striscia sono state effettuate 1000 analisi, impiegando 20 accelerogrammi compatibili con le caratteristiche del sito di riferimento degli edifici; per i dispositivi sono stati utilizzati modelli non lineari le cui caratteristiche sono state definite con estrazioni casuali dalle curve di distribuzione derivate dai risultati di oltre 3000 prove sperimentali, così da tenere adeguatamente conto delle incertezze intrinseche (Barone et al, 2019).

Dall’elaborazione dei risultati è emerso che, per garantire una probabilità di collasso inferiore al target di affidabilità previsto dall’EC8-2G, sarebbero necessari valori di:

γ_x ≈ 2,2 per dispositivi progettati con TR = 475 anni;
γ_x ≈ 1,5 per dispositivi progettati con TR = 1600 anni.

Al fine di evitare una discontinuità eccessiva rispetto alla normativa precedente e di non ostacolare la filiera produttiva, è stato infine adottato un valore di 1,85 riferito al TR = 475 anni, convenzionalmente assunto come situazione di riferimento per la progettazione. Tale scelta rappresenta un equilibrio tra maggiore sicurezza strutturale, coerenza con le prassi progettuali consolidate e sostenibilità economica.

Extracorsa e coefficiente γ_x: nuove prospettive

Una delle implicazioni più innovative del nuovo approccio riguarda la gestione dell’extracorsa, ossia la possibilità che il dispositivo antisismico superi la propria capacità di spostamento di progetto. In passato tale eventualità era considerata inaccettabile; oggi, invece, si riconosce che, in condizioni eccezionali, una limitata extracorsa possa essere tollerata, purché sia adeguatamente controllata e non determini instabilità nella struttura o eccessive concentrazioni di sforzo nei dispositivi.

Le prove sperimentali condotte su dispositivi, in particolare su quelli a pendolo scorrevole, hanno mostrato che, anche dopo un superamento della capacità di spostamento di progetto, il sistema è in grado di ristabilire un comportamento non significativamente difforme da quello originario, (Furinghetti et al. 2021). Inoltre, analisi numeriche dedicate hanno evidenziato come lo sconfinamento in extracorsa generi un effetto di frenatura molto meno brusco rispetto a quello prodotto, ad esempio, dall’anello esterno previsto in altri standard di progettazione internazionali.

Da tali considerazioni deriva la possibilità di ridurre il valore del coefficiente γ_x, in misura proporzionale allo spostamento addizionale che il dispositivo è in grado di tollerare in extracorsa, a condizione che siano garantite la sua funzionalità e la stabilità globale del sistema.

L’Eurocodice 8 di seconda generazione recepisce esplicitamente questa prospettiva, subordinandone però l’applicazione alla disponibilità di prove sperimentali dedicate, necessarie a validare il comportamento del dispositivo oltre la soglia nominale di progetto. In questo quadro, la norma EN 15129 assume un ruolo ampliato, configurandosi non solo come norma di prodotto, ma anche come strumento di verifica prestazionale basata su evidenze sperimentali.

La progettazione che contempla l’extracorsa deve prevedere il corretto dimensionamento dei giunti e delle connessioni con le linee di servizio (acqua, gas, energia, ecc.), in modo da assicurarne la sicurezza e la funzionalità per gli spostamenti relativi attesi.

Ricentraggio: da aspetto secondario a requisito centrale

Una delle principali innovazioni introdotte dalla nuova normativa riguarda la verifica della capacità di ricentraggio dei dispositivi. Dopo un evento sismico la posizione assunta dal sistema di isolamento diventa un fattore critico per la risposta della struttura. Dispositivi incapaci di ripristinare la configurazione iniziale possono compromettere la funzionalità complessiva e amplificare i danni in caso di scosse successive.

Nei sistemi di isolamento e dissipazione, l’energia sismica viene in parte dissipata e in parte accumulata elasticamente: è proprio questa componente elastica che consente al sistema di ritornare verso la posizione di equilibrio iniziale. Se risulta insufficiente, la struttura può presentare spostamenti residui significativi, con conseguenti difficoltà di utilizzo immediato o ridotte prestazioni in occasione di ulteriori eventi.

Per questo motivo, l’Eurocodice prescrive che l’energia elastica (E_s) immagazzinata dal sistema sia almeno pari al 25% dell’energia dissipata (E_d) dai dispositivi, al fine di garantire un ricentraggio efficace (Medeot, 2007). Tale soglia, di origine sostanzialmente empirica, è stata successivamente confermata da numerose prove sperimentali su tavola vibrante (Quaglini et al, 2014).

Conclusione: verso una nuova visione dell’ingegneria sismica europea

La revisione che ha portato all’EC8-2G segna un avanzamento significativo nell’ingegneria sismica europea, introducendo un approccio che unisce rigore normativo e maggiore aderenza ai comportamenti strutturali reali. Nel caso specifico delle strutture con isolamento e dissipazione la possibilità di tollerare danni controllati, la centralità della verifica sperimentale e l’attenzione a parametri prima trascurati, come l’extracorsa e il ricentraggio, riflettono una visione più realistica e responsabile.

Il rinnovato ruolo del coefficiente γ_x e l’impianto concettuale che è alla base esprimono una filosofia progettuale orientata a garantire sicurezza, affidabilità e sostenibilità economica. In questo senso, l’EC8-2G non rappresenta soltanto un aggiornamento tecnico, ma un vero e proprio cambio di paradigma nella concezione della sicurezza strutturale.

Riferimenti

Barone, S., Calvi, G.M, and A. Pavese. 2019. ‘Experimental dynamic response of spherical friction-based isolation devices. Journal of Earthquake Engineering, DOI: 10.1080/13632469.2017.1387201.

Cardone, D., Conte, N., Dall’Asta, A., Di Cesare, A., Flora, A., Iervolino, I., Perrone, G., & Prota, A. (2019). RINTC-E project: The seismic risk of existing Italian RC buildings retrofitted with seismic isolation. Proceedings of COMPDYN 2019 – 7th International Conference on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake Engineering. Crete, Greece

Franchin, P., and F. Noto. 2023. ‘Reliability‐based partial factors for seismic design and assessment consistent with second‐generation Eurocode 8’. Earthq. Eng. Struct. Dyn., 52 (13): 4026–4047. Wiley.

Furinghetti, M., T. Yang, P. M. Calvi, and A. Pavese. 2021. ‘Experimental evaluation of extra-stroke displacement capacity for Curved Surface Slider devices’. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 146: 106752.

Medeot, R. (2007). Re-centring Capability Evaluation of Seismic Isolation Systems. Contributo presentato al IABSE Symposium: Improving Infrastructure Worldwide, Weimar, Germany, 19-21 September

Jalayer, F., and C. A. Cornell. 2009. ‘Alternative non-linear demand estimation methods for probability-based seismic assessments’. Earthq. Eng. Struct. Dyn., 38 (8): 951–972. Wiley Online Library.

Quaglini, V., Gandelli, E., Dubini, P., Vazzana, G., & Farina, G. (2014, agosto). Re-centring Capability of Friction Pendulum System: Experimental Investigation (Shake-table tests). In Proceedings of the 2nd European Conference on Earthquake Engineering and Seismology (ECEES 2014), Istanbul