Esistono tre grandi tipologie di tecniche per la protezione sismica degli edifici, sintetizzate nella figura seguente (fig. 1):

Figura 1: Tecniche per la protezione delle strutture dai terremoti

Di seguito sono descritte sinteticamente le tecniche di controllo passivo, che sono quelle maggiormente utilizzate ed affidabili per il controllo delle vibrazioni dovute al sisma, in quanto sono basate solo sulle caratteristiche meccaniche di particolari dispositivi. Il controllo attivo richiede, invece, l’utilizzo di sensori e dispositivi elettronici che devono essere tenuti in perfetta efficienza anche per decine di anni, prima di entrare in funzione in occasione di un evento sismico, per cui sembra maggiormente utilizzabile per il controllo delle vibrazioni dovute al vento, al funzionamento di macchinari, etc.

Isolamento Sismico

L'isolamento sismico consiste nell'interposizione, tra le fondazioni e la sovrastruttura, di elementi con elevata deformabilità orizzontale ed elevata rigidezza assiale (verticale), che disaccoppiano il moto della struttura da quello del terreno, così da ridurre la trasmissione, alla sovrastruttura, della energia cinetica fornita dall’azione sismica. La struttura, dunque, per effetto dell'azione sismica, oscilla quasi come un corpo rigido, mentre sono i dispositivi di isolamento a deformarsi ed a dissipare energia (Fig.2). Per effetto dell’assenza quasi totale di deformazioni interpiano (drift), questa tecnologia permette altresì di evitare lesioni o danni agli elementi non strutturali (tamponature, tramezzi, infissi) o ai beni contenuti all’interno degli edifici.
In Italia esistono ormai una ventina di edifici con isolamento sismico, tra cui tre edifici della nuova sede dell’Università della Basilicata a Potenza, un edificio per abitazioni realizzato a Rapolla (PZ) e gli edifici della sede Telecom di Ancona.

Figura 2 - Comportamento dinamico di un edificio a base fissa e di uno isolato alla base

Nelle tecniche di isolamento sismico possono essere utilizzati sostanzialmente due tipi di dispositivi per la trasmissione dei carichi verticali e il disaccoppiamento del moto della struttura da quello del terreno: isolatori in materiale elastomerico ed acciaio, isolatori a scorrimento o a rotolamento.

Gli isolatori elastomerici armati (in figura 3 ne è visibile uno in sezione) 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 Mercalli 9-10 senza alcun danno né alle strutture né alle finiture, con un conseguente annullamento dei costi di riparazione a seguito di tali eventi e, cosa fondamentale, con probabilità di perdita di vite umane prossima allo zero.

Figura 3 – Isolatore elastomerico armato

Su un edificio dotato di questo genere di dispositivi di isolamento sismico sono state condotte, nel luglio 2000, delle prove di oscillazione libera, consistite nell’imprimere alla base dell’edificio, immediatamente al di sopra del sistema di isolamento, uno spostamento che ha raggiunto oltre 15 cm mediante un sistema di bielle azionate da martinetti idraulici. A questo punto il dispositivo di prova libera istantaneamente l’edificio così da farlo oscillare liberamente per qualche secondo. Nonostante lo spostamento raggiunto in tale prova, coincidente con quello che si sarebbe raggiunto in un terremoto distruttivo (IX-X gradi MCS), l’edificio non ha subito alcun tipo di danno, né alle strutture, né agli elementi non strutturali.
rove di questo tipo, con la medesima tecnologia, sono in precedenza state effettuate su uno degli edifici dotati di isolamento alla base della nuova sede dell’Università della Basilicata a Potenza. 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.

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 tutti 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 contenere l’entità' degli spostamenti subiti dalla sovrastruttura isolata, e' necessario che gli isolatori garantiscano valori dello smorzamento superiori al 5% dello smorzamento critico. Ciò è quasi sempre verificato negli isolatori in elastomero ed acciaio, grazie al comportamento fortemente isteretico del materiale elastomerico. Nel caso degli isolatori a scorrimento o a rotolamento, e' necessario disporre, in parallelo agli isolatori, opportuni dissipatori di energia, come accennato sopra.

Dissipazione di Energia

Le tecniche di dissipazione dell'energia consistono invece 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. La figura 4 mostra schematicamente la struttura di un edificio intelaiato con l’inserimento di controventi dissipativi.

Figura 4 – Schema di edificio intelaiato dotato di controventi dissipativi.

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.

Interventi su edifici esistenti

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 adeguamentiìo sismico tradizionale, pertanto sono sicuramente indicati per edifici pubblici o che necessitino di livelli di protezione maggiori (scuole, caserme, ospedali, etc.).

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. Inoltre può essere applicabile senza interrompere le attività normalmente svolte nell’edificio oggetto dell’intervento.