PROBLEMI PROGETTUALI PER L'IMPIEGO
DELL'ISOLAMENTO SISMICO NELLE COSTRUZIONI CIVILI

Sommario - L'isolamento sismico è ormai uscito dalla fase pionieristica ed è pronto per diventare un sistema di uso corrente per la protezione sismica delle costruzioni di tipo ordinario. Per diffonderne l'uso occorre approfondire lo studio delle morfologie architettoniche, delle configurazioni strutturali e delle altre valutazioni progettuali che ne garantiscano le migliori prestazioni e ne riducano i costi, coinvolgendo in questo studio ingegneri e architetti. Occorre evidenziare la maggiore affidabilità delle abituali procedure di progetto quando queste siano utilizzare per le costruzioni isolate, anziché per quelle a base fissa. Occorre infine evitare che le nuove applicazioni siano scoraggiate dalla richiesta di metodi di progetto inutilmente laboriosi e da lunghe procedure di controllo non sempre necessarie. Prendendo lo spunto da alcune iniziative dimostrative che il Governo della Regione Umbria ha recentemente avviato dopo i terremoti che hanno colpito l'Italia centrale fra il 1997 ed il 1998, la presente relazione affronta argomenti che riguardano le applicazioni dell'isolamento alle costruzioni residenziali e commerciali di tipo corrente.

L'isolamento sismico è ormai uscito dalla fase pionieristica ed è pronto per diventare un sistema di impiego corrente per la protezione sismica delle costruzioni civili. Più ancora delle analisi teoriche e delle ricerche di laboratorio, la sua efficacia è stata chiaramente dimostrata dalle risposte delle costruzioni isolate che hanno subito l'attacco di terremoti violenti e dal confronto con le risposte degli edifici non isolati. Grazie anche all'esame delle registrazioni degli edifici monitorati, ciò è apparso ben evidente con il terremoto di Los Angeles del 1994 [1] e più ancora con quello di Kobe del 1995 [2, 3, 4, 5]. Dopo quest'ultimo evento, in particolare, si è assistito in Giappone ad un incremento rapidissimo delle costruzioni protette mediante un sistema di isolamento [4, 5], sia per quanto riguarda la ricostruzione del grande numero di ponti e viadotti distrutti dal terremoto, sia per la realizzazione di nuovi edifici di tipo residenziale e commerciale isolati alla base (Fig. 1). Infine, l'isolamento sismico si presenta anche come una tecnica di grande interesse per la protezione sismica del patrimonio architettonico di valore storico [6, 7]. In California, altra regione in cui si sta assistendo ad un forte sviluppo di tutti i tipi di applicazione, l'isolamento alla base è stato utilizzato per l'adeguamento sismico di importanti costruzioni esistenti di interesse storico [8].

L'impiego dell'isolamento sismico si basa su una concezione nuova del progetto strutturale e richiede pertanto una revisione ed un aggiornamento di alcune abitudini progettuali. Per la costruzione dei ponti, dove ormai l'isolamento sismico viene applicato correntemente, di norma la progettazione e l'esecuzione delle opere sono affidate a progettisti esperti e ad imprese specializzate. In questo campo l'Italia, specialmente per quanto è stato fatto negli anni '80, vanta ormai un'esperienza consolidata [9, 10, 11]. Più delicata è la situazione quando si debbano applicare queste tecniche alle costruzioni dell'edilizia corrente [12].

Nella presente nota vengono discussi alcuni problemi riguardanti quest'ultimo aspetto e le implicazioni che derivano dal processo secondo il quale, nella pratica corrente, si svolge il progetto delle strutture in zona sismica. Assumendo come riferimento la realizzazione di edifici multipiano di tipo residenziale o simile (uffici, ospedali, ecc.), l'intenzione è di rendere il progetto più agevole e le applicazioni più convenienti. Un'importante via da percorrere per raggiungere questo obiettivo è la ricerca di armonizzazione delle morfologie architettoniche e delle configurazioni strutturali con le prestazioni specifiche dei sistemi di isolamento. Il problema architettonico, del quale ancora non si è tenuto conto in maniera adeguata, si presenta già di per sé come un fattore di primaria importanza per il progetto delle costruzioni in zona sismica; ma più importante ancora diventa quando si progetta una costruzione isolata, perché un'appropriata concezione architettonica può migliorare sostanzialmente le prestazioni delle strutture, semplificando le progettazioni e riducendo i costi di costruzione.

Per le finalità ora dette, occorre in primo luogo mettere in evidenza i vantaggi teorici e pratici che derivano dall'applicazione dell'isolamento sismico alle costruzioni di tipo ordinario. Sono sufficienti considerazioni semplici, sulle quali però è opportuno soffermarsi allo scopo di valutarne l'effettivo peso ai fini della sicurezza sismica. Infatti, oltre alla riduzione delle sollecitazioni sismiche negli elementi resistenti, esistono altri aspetti dell'isolamento sismico, non sempre visti nella giusta luce, che lo rendono particolarmente vantaggioso ed efficace.

L'isolamento alla base è la maniera più semplice per ridurre le accelerazioni trasmesse ai piani ed agli altri elementi strutturali. Nella realtà, questo fattore, sebbene non sia tenuto nella considerazione che merita, è di primaria importanza. Nella pratica progettuale viene abitualmente trascurato, anche perché le norme di progetto non ne chiedono il controllo. Al contrario, la riduzione delle accelerazioni sismiche dovrebbe essere giudicato come uno degli obiettivi principali della progettazione antisismica, perché consente di evitare molti danni agli elementi strutturali e non strutturali, nonché agli oggetti contenuti nel fabbricato.

Un altro aspetto importante risiede nel fatto che i normali procedimenti utilizzati per il calcolo delle sollecitazioni sismiche sono più affidabili e più efficaci quando sono applicati alle strutture isolate alla base, anziché a quelle a base fissa. Questa semplice considerazione merita di essere meglio chiarita.

Infine, occorre sottolineare l'importanza della morfologia architettonica dalla quale dipende, in maniera spesso decisiva, la configurazione del sistema strutturale. A sua volta questa configurazione definisce gli aspetti essenziali la risposta sismica della costruzione, influenzandone la sicurezza in maniera più significativa delle analisi numeriche che, usando modelli più o meno appropriati, vengono abitualmente svolte dagli ingegneri. Del resto, è ben noto quanto questo aspetto sia importante [12, 13, 14], sebbene anch'esso non sempre sia tenuto nella giusta considerazione. Le descrizioni dei danni prodotti dai terremoti lo sottolineano sempre. Quando si progetta una struttura isolata, il problema delle scelte architettoniche acquista un peso ancora più importante.

Nel decennio dal 1983 al 1993 l'isolamento sismico è stato largamente usato in Italia per la protezione dei ponti stradali. Fra le nuove realizzazioni e l'adeguamento delle strutture esistenti, più di 100 ponti autostradali sono stati dotati di un sistema di isolamento [9, 10, 11]. Tenuto conto delle configurazioni tipiche di queste strutture, è stato generalmente preferito l'impiego dei dispositivi dissipativi a comportamento elasto-plastico. Si è perseguito cioè l'obiettivo di tagliare le forze trasmesse dall'impalcato alle strutture sottostanti (pile, spalle e relative fondazioni) prefissando il valore della soglia plastica e dissipando al contempo grandi quantitativi di energia. Nello stesso decennio, nonostante un significativo numero di proposte progettuali, un numero piuttosto limitato di realizzazioni ha riguardato l'isolamento alla base delle costruzioni diverse dai ponti, come gli edifici residenziali o commerciali.

Negli anni successivi, mentre negli altri paesi sismici il numero delle applicazioni è andato aumentando sempre più rapidamente, in Italia l'isolamento sismico è stato quasi dimenticato. Ciò è avvenuto sia per l'improvvisa riduzione dei lavori nel settore delle costruzioni stradali, ma anche per un certo atteggiamento poco convinto nei confronti del sistema, assunto spesso dai progettisti, dagli amministratori e dagli stessi enti proprietari degli immobili (talvolta occorre un certo tempo per rimuovere i pregiudizi e rendere applicabili i risultati delle ricerche scientifiche). Inoltre, molti pensano che l'isolamento sismico comporti costi elevati per raggiungere poi livelli di sicurezza neppure richiesti dalle norme (sic!). In effetti, la carenza di una chiara normativa di riferimento ed il particolare iter richiesto per le approvazioni hanno contribuito a scoraggiare molte iniziative.

Oggi, due eventi tendono a rimuovere questa situazione. In primo luogo, i terremoti che hanno colpito l'Italia centrale tra le fine del 1997 e l'inizio del 1998 hanno riproposto l'argomento con maggiore efficacia, suscitando nuovi interessi nelle amministrazioni regionali. In particolare il Governo della Regione Umbria, comprendendo l'importanza del problema, ha avviato un impegnativo programma dimostrativo allo scopo di promuovere l'uso dell'isolamento sismico. Allo stesso tempo, il Ministero del Lavori Pubblici ha recentemente emanato le istruzioni per il progetto delle costruzioni dotate di sistemi di isolamento sismico. Le due iniziative forniscono l'opportunità per alcuni commenti.

La novità del criterio su cui si basa l'isolamento sismico ha prodotto alcune erronee e sospettose credenze che hanno contribuito a scoraggiarne l'impiego. Per esempio, si tende a credere che il progetto di una struttura isolata sia più complicato e meno affidabile di quello di una normale struttura a base fissa. Questo falso timore induce a richiedere procedimenti di calcolo e metodi di verifica più complessi con più lunghe procedure di approvazione. Al contrario, occorre sottolineare la maggiore affidabilità degli abituali procedimenti di calcolo quando questi siano applicati al progetto delle costruzioni con isolamento alla base, anziché a quello delle costruzioni a base fissa.

Si considerino le applicazioni riguardanti gli edifici multipiano di tipo corrente, nelle quali il sistema di protezione più semplice e più economico consiste nel realizzare un isolamento alla base mediante appoggi di gomma multistrato. Poiché in questo caso l'obiettivo consiste nel forte aumento del periodo di oscillazione, un vero miglioramento delle prestazioni sismiche si ottiene, come è noto, quando i seguenti parametri sono portati a valori elevati.

Inoltre, è opportuno che gli elementi resistenti della struttura non subiscano significative deformazioni plastiche sotto l'azione del massimo terremoto di progetto (per esempio, dell'evento cinquecentennale).

Il primo requisito, fra l'altro, rende l'isolamento alla base particolarmente efficace in molte regioni, come nella maggior parte del territorio umbro, dove i terremoti tendono a manifestarsi con trasporto di energia che avviene quasi tutto nel campo delle alte frequenze (Fig. 2). Ciò è quanto è risultato dalle registrazioni ottenute durante il recente periodo di crisi sismica e dalle analisi di microzonazione eseguite per la ricostruzione.

Entrambi i requisiti suddetti, soprattutto il secondo, esaltano l'importanza del concetto di deformabilità strutturale rispetto a quello consueto di resistenza. Le conseguenze di questo aspetto possono influenzare i criteri per la definizione della configurazione architettonica di un edificio. Del resto, è noto che il rispetto dei requisiti ora ricordati conduce alle prestazioni tipiche degli edifici isolati alla base, che si ricordano qui di seguito.

Queste sono le prestazioni che rendono l'isolamento alla base efficace ed in più, per quel che qui interessa, rendono più veritiere, quindi più affidabili, le analisi numeriche sulle quali si basa il progetto delle strutture. Poiché la configurazione deformata del primo modo riproduce quasi totalmente la risposta della costruzione, i modelli numerici usati in fase di progetto sono più aderenti alla realtà di quanto lo siano quelli per i quali si debbano combinare più modi significativi secondo criteri aleatori (Fig. 3). La presenza di un primo modo quasi rigido rende anche più significativa la valutazione degli effetti dissipativi da attribuire ai vari modi, risultando questi attribuibili quasi per intero alla capacità dissipativa dei dispositivi posti alla base del fabbricato.

In aggiunta alle considerazioni teoriche ora fatte, la risposta tipica delle costruzioni isolate alla base consente di superare altre ambiguità di natura pratica che sono presenti nelle abituali analisi di progetto. In primo luogo, per quanto si è visto, la valutazione del periodo di oscillazione delle strutture isolate, quindi la valutazione delle accelerazioni spettrali di progetto, dipende essenzialmente dalle caratteristiche meccaniche dei dispositivi di isolamento. Questi sono prodotti con procedimenti industriali e le loro caratteristiche sono valutate direttamente sui prototipi mediante prove di laboratorio. Al contrario, il comportamento sismico effettivo delle costruzioni intelaiate di cemento armato dipende dal comportamento, più difficilmente valutabile, dei singoli elementi strutturali. In tal caso infatti, le elaborazioni numeriche risentono di un certo numero di fattori di indeterminazione. Molti di essi, abitualmente trascurati, sono presenti già nella fase di comportamento elastico (modulo di elasticità del calcestruzzo, rigidezza delle zone fessurate, effetto di "tension hardening", ecc.). Più significative ancora sono le indeterminazioni che si presentano quando siano mobilitati comportamenti non lineari (effettivo comportamento e dimensione delle cerniere plastiche, degradazioni cicliche, ecc.). Da questi ultimi fattori dipende fra l'altro la duttilità attribuita al sistema resistente; duttilità che dovrebbe giustificare l'abbattimento delle accelerazioni spettrali di progetto. Per tutti questi motivi perciò, gli abituali procedimenti di calcolo forniscono informazioni molto più attendibili quando siano applicati alle strutture isolate alla base anziché a quelle a base fissa.

Nelle strutture intelaiate, ulteriori fattori di incertezza derivano dall'interazione degli elementi non strutturali, in particolare dai fenomeni di interazione prodotti dalle tamponature. Queste sono presenti quasi sempre; tuttavia, con il consenso delle norme, la loro influenza viene trascurata ai fini delle verifiche di resistenza. Ciò può rendere la risposta reale della struttura notevolmente differente da quella sulla quale sono basate le analisi di progetto. Le differenze possono risultare sfavorevoli quando vengano innescati effetti indesiderati, come quello di piano flessibile o le deformazioni torsionali. Nelle strutture isolate alla base invece, la predominanza delle deformazioni del primo modo, poco influenzata dalla presenza o meno delle tamponature, rende le valutazioni di progetto sicuramente più aderenti alla realtà.

Oltre alla maggiore affidabilità delle analisi di progetto, vi è ancora un altro aspetto favorevole quando l'isolamento alla base venga applicato per la protezione sismica delle costruzioni ordinarie. Per valutarne correttamente l'importanza occorre tenere presenti tutti i requisiti che dovrebbero essere richiesti alle costruzioni antisismiche, non soltanto quelli relativi alla resistenza delle sezioni sui quali abitualmente, come è richiesto dalle norme, si basano i progetti delle strutture. Infatti le norme prescrivono il controllo della resistenza degli elementi strutturali e pongono alcuni limiti alla loro deformabilità, ma non prendono in considerazione le accelerazioni trasmesse (per esempio, le accelerazioni di piano). Se però si presta attenzione ai danni effettivamente prodotti dai terremoti, questo aspetto appare realmente come un fattore critico della progettazione antisismica, perché si presenta spesso come la causa di gravi danni indotti, dai quale dipendono molti dei costi di riparazione. Nonostante ciò, la pratica progettuale corrente non tiene in alcun conto il valore delle accelerazioni di piano.

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Tab. A (registrazioni) N334E N064E U-D

Accelerazioni max (gal) trasversale longitudinale verticale

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Fondazione 274 [1.00] 262 [1.00] 233 [1.00]

1Ý piano 145 [0.53] 251 [0.96] 268 [1.15]

3Ý piano 196 [0.72] 270 [1.03] 336 [1.44]

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Edificio adiacente (*)

3Ý piano 971 [3.54] 674 [2.57] 372 [1.60]

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(*) edificio non isolato, di uguale altezza, posto a 2 m di distanza.

[..] amplificazioni rispetto al basamento.

Le accelerazioni di piano sono fortemente ridotte dall'isolamento alla base, soprattutto quelle che si manifestano ai piani più alti dei fabbricati, dove possono scendere anche a meno del 20% del valore che si avrebbe nella costruzione a base fissa. I valori riportati nella Tabella A si riferiscono alla risposta di un edificio isolato registrata a Kobe e ad quella di un edificio adiacente non isolato [2, 3]. D'altra parte, la ricerca di una maggiore sicurezza mediante l'aumento della resistenza meccanica degli elementi strutturali può rendere sì la struttura più resistente agli attacchi sismici, ma allo stesso tempo tende ad aumentare il valore delle accelerazioni trasmesse. Pertanto, una strategia basata solo sul criterio di ricercare la resistenza degli elementi strutturali può non risultare la più efficace da tutti i punti di vista.

In aggiunta a quanto ora detto, la riduzione delle accelerazioni trasmesse rende meno probabile il collasso delle tamponature sia nel loro piano che fuori di esso, migliorando le sinergie associate alla loro interazione con i telai, risultando così ancora meglio garantita la predominanza della forma del primo modo di oscillazione, come è mostrato dai risultati numerici riportati nella Tabella B. La struttura di riferimento "A", priva di tamponature, è stata dimensionata in funzione del terremoto di progetto indicato dall'Eurocodice 8 [15] per un suolo tipo B, accelerazione del terreno PGA = 0.25g, assumendo un fattore di riduzione q = 5. I confronti sono fatti considerando come riferimento il massimo scorrimento fra i piani. Se un terremoto con PGA = 0.25g si manifesta realmente, per questa struttura si calcolano deformazioni plastiche corrispondenti ai criteri di progetto (duttilità di piano richiesta = 4.8). La stessa struttura non appare però in grado di resistere a terremoti di maggiore intensità (PGA = 0.35g), come però non le viene richiesto. Nelle stesse condizioni, un sistema di isolamento alla base che porti il periodo di oscillazione a T = 2 secondi è in grado di assicurare la protezione totale della struttura ed è ancora efficace per il terremoto di maggiore intensità (duttilità di piano richiesta = 1.7). Se si considera l'interazione delle tamponature, assumendo che queste siano soggette a collasso totale quando la duttilità di piano supera il valore 2, l'effetto può essere perfino negativo per la costruzione non isolata (peraltro potrebbe innescare anche rotture locali per taglio dei pilastri), mentre l'isolamento assicura il comportamento elastico dell'intero sistema anche per il terremoto più intenso di quello di progetto.

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Tabella B Esempio dell'effetto di interazione delle tamponature con i telai di cemento

armato.

Duttilità di interpiano richiesta e danneggiamento delle tamponature (azione nel piano).

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Terremoto di progetto (EC.8)  PGA = 0.25g PGA = 0.35g

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duttilità risposta duttilità risposta

Criterio di progetto [EC.8]  di piano muratura di piano muratura

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"A"=telaio semplice (PGA=0.25g, q=5) 4.8 (---) [7.0] (---)

"B" = "A" + isolamento alla base elastico (---) 1.7 (---)

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"AM" = "A" + tamponatura 3.3 danni [8.0] collasso

"BM" = "B" + tamponatura elastico elastico elastico elastico

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i valori fra parentesi quadre [ ] indicano che la domanda è da considerare superiore alla capacità

Infine, è da considerare il fatto che l'isolamento alla base è capace di ridurre l'importanza degli effetti negativi di molte irregolarità strutturali, lasciando ai progettisti una maggiore libertà compositiva. In particolare, consente di ridurre, fino ad eliminarle, le deformazioni torsionali alla base e, grazie alla predominanza del primo modo, delle strutture in elevazione. Già questo fatto, da solo, riduce in maniera consistente le sollecitazioni massime nei pilastri degli edifici in cui siano presenti distribuzioni eccentriche delle rigidezze.

Il progetto architettonico costituisce un aspetto critico della progettazione antisismica. Sebbene non vi siano dubbi sulla sua importanza [12, 13, 14], il problema non è stato ancora oggetto di studi sufficientemente approfonditi. Questo aspetto appare ancora più critico quando si debba progettare un edificio dotato di un sistema di isolamento sismico. I requisiti ed i comportamenti tipici di queste costruzioni dovrebbero indurre gli architetti e gli ingegneri strutturisti a dare maggiore importanza a questo aspetto fino dal primo momento in cui si definisce la configurazione globale della costruzione. Specialmente nelle realizzazioni di tipo corrente invece, l'importanza ai fini sismici della morfologia architettonica e della configurazione strutturale, che dalla prima è fortemente condizionata, viene frequentemente sottostimata. Eppure tutte le descrizioni dei danni prodotti dai terremoti individuano spesso nella configurazione del sistema resistente il principale fattore (favorevole o sfavorevole) che definisce le modalità di risposta delle costruzioni.

L'isolamento alla base modifica l'importanza di alcuni requisiti richiesti al progetto architettonico. L'armonizzazione della configurazione architettonica e strutturale con i requisiti dell'isolamento sismico appare come il problema più significativo da affrontare, perché questa tecnica di protezione sismica possa assicurare le sue prestazioni nella maniera più efficace. Del resto, un'appropriata configurazione strutturale costituisce il principale fattore che consenta di ridurre i costi di realizzazione. Soltanto quando le esigenze dell'isolamento siano state tenute in conto fin dalle prime fasi progettuali, le prestazioni sismiche potranno essere veramente elevati con costi contenuti o nulli (quando non si riesca perfino ad ottenere un risparmio). Al contrario, se il progetto architettonico viene elaborato senza riferimento all'impiego di uno specifico sistema di protezione sismica, la successiva decisione di inserire l'isolamento può diventare problematica; le soluzioni da adottare possono dar luogo ad arrangiamenti che richiedono maggiori costi, con l'eventualità di non poter neppure sfruttare in pieno la potenzialità del sistema di protezione. Sfortunatamente, il clima di affari che governa il progetto delle costruzioni ordinarie incoraggia modi di procedere poco favorevoli da questo punto di vista.

Si è visto che con l'isolamento alla base il concetto di rigidezza acquista un'importanza relativamente maggiore rispetto a quello di resistenza degli elementi strutturali. Ciò dovrebbe tendere a modificare qualche valutazione relativa alla capacità sismica di alcune soluzioni progettuali. Per esempio, l'isolamento alla base è da considerare con interesse per la protezione sismica di edifici di non grandi dimensioni, come del resto sono molti degli edifici residenziali in Italia. Ciò significa anche che l'isolamento alla base si può applicare convenientemente agli edifici in muratura, rendendoli capaci di resistere bene agli attacchi dei terremoti più severi. Benché la resistenza e la duttilità delle pareti murarie non sia molto grande, queste posseggono una grande rigidezza quando siano sollecitate da azioni taglianti agenti nel loro piano. Pertanto l'isolamento sismico può rivalutare l'uso delle murature nelle zone sismiche, dando loro un nuovo impulso per le realizzazioni negli zone rurali o di interesse ambientale; così come appare promettente per la salvaguardia dell'edilizia storica e monumentale.

La Figura 4 riproduce lo spettro di progetto dell'Eurocodice 8, rappresentato in funzione degli spostamenti spettrali di risposta. Anche per questo esempio sono stati considerati i seguenti dati di input: intensità PGA = 0.25g (valore valido per la maggior parte del territorio sismico italiano), suolo tipo B, 5% di smorzamento. Prevedendo l'impiego di isolatori di gomma del tipo HDRB, le accelerazioni sono state ridotte nel campo delle basse frequenze in funzione dello di smorzamento dei dispositivi (10% nel primo modo). Allo scopo di valutare risultati generali, sono state considerate le caratteristiche medie di edifici in muratura alti tre piani (peso, densità e distribuzione dei maschi murari, ecc.). Assumendo un fattore di riduzione q=5, l'accelerazione spettrale di progetto diventerebbe pari a 0.125g (valore ancora compatibile con le caratteristiche di resistenza a taglio di una buona muratura). Poiché questi edifici hanno un periodo di oscillazione nettamente inferiore a 0.6 secondi, la richiesta di duttilità attesa sarebbe però anch'essa dell'ordine di µ=5 o maggiore (valore certamente superiore alla capacità di risposta della muratura). Se però la struttura è disposta sopra un sistema di isolamento che ne porti il periodo di oscillazione a T=2 secondi, le riduzioni spettrali indicano che la stessa non dovrebbe neppure sopportare deformazioni plastiche sotto l'azione dello stesso terremoto, mentre lo spostamento richiesto ai dispositivi sarebbe di 168 mm. I valori ottenuti sono compatibili con l'impiego di semplici dispositivi di gomma multistrato HDRB del diametro Ø = 400 mm da disporre sotto il solaio del piano terra, lungo le murature portanti, ad una distanza media di 2.0÷2.5 metri. Questi risultati dimostrano la fattibilità dell'uso dell'isolamento alla base per un'efficace protezione delle costruzioni in muratura. Quando, come in Umbria, la reale configurazione delle forme spettrali differisce favorevolmente rispetto a quelle dell'Eurocodice, la sicurezza effettiva che può essere raggiunta con l'isolamento alla base migliora ulteriormente.

Un sistema di isolamento passivo può rendere sismicamente efficace qualche particolare configurazione architettonica altrimenti non idonea per le zone sismiche. Un esempio è quello dell'edificio sospeso (Fig. 5), costituito da un pacco di piani oscillanti sostenuto da tiranti ancorati alla testa di un nucleo centrale di cemento armato.

Le oscillazioni laterali indotte dal sisma sono controllate mediante dispositivi dissipativi di tipo elasto-plastico interposti fra la parte mobile ed il nucleo centrale. Uno specifico relativo al progetto ed alla realizzazione di questo schema è stato a suo tempo svolto con un finanziamento del Ministero della Ricerca Scientifica [16]. Benché i risultati siano stati molto interessanti, la crisi economica intervenuta all'inizio degli anni '90 non ha consentito di arrivare ad una realizzazione.

Il sistema strutturale in questione si presta ad essere realizzata mediante procedimenti industrializzati. Dal punto di vista architettonico risolve la richiesta di disponibilità degli spazi al piede del fabbricato senza ricorrere allo schema del piano debole. Dal punto di vista sismico la configurazione sospesa elimina gli scorrimenti relativi fra i piani. Le oscillazioni laterali sono controllate dai dispositivi dissipativi. Lo studio svolto ha indicato che le prestazioni ottimali si ottengono nelle seguenti condizioni:

Dopo la recente attività sismica che ha interessato la regione, il Governo regionale dell'Umbria ha avviato un vasto programma di realizzazioni, attribuendo ad esso anche uno scopo dimostrativo per l'impiego di tecniche innovative di protezione sismica. I progetti sono portati avanti da gruppi di architetti e di ingegneri che l'autore di queste note coordina per quanto riguarda gli aspetti strutturali. Il programma comprende varie iniziative. L'obiettivo consiste nello sviluppare progetti di costruzioni di medie dimensioni e di vario tipo (edifici residenziali, edifici per uffici, caserme, magazzini, autoparchi, ecc.) dotandoli ciascuno, ove ciò sia riconosciuto conveniente, di un appropriato sistema di isolamento. L'intenzione è di progettare gli assetti architettonici tenendo conto dei requisiti richiesti dall'eventuale applicazione di un sistema di isolamento sismico. Le iniziative comprendono:

Si illustra brevemente lo stato di avanzamento di questo programma che era stato già descritto nelle sue linee generali nella riunione del GLIS di Perugia, nel 1999.

Il progetto degli edifici dello IERP (Fig. 6) è stato avviato riprendendo un precedente progetto che la stessa Regione Umbria aveva cercato di realizzare già prima dei recenti terremoti. Questo esempio intende dimostrare la semplicità delle soluzioni progettuali e la bassa incidenza di costo dell'isolamento alla base nelle costruzioni residenziali di tipo ordinario. Il costo in opera dei dispositivi di isolamento è risultato di circa 13.000 lire per metro cubo di fabbricato. Trattandosi di una applicazione dimostrativa, a fianco del progetto sono state eseguite alcune sperimentazioni presso il Centro Comunitario di Ricerca di Ispra. Mediante prove pseudo-dinamiche, condotte su un modello ibrido dell'edificio isolato, sono state controllate le caratteristiche meccaniche dei dispositivi in base alle quali sono state svolte le analisi di progetto, convalidando anche i risultati delle analisi stesse. La costruzione del complesso è stata appaltata all'inizio di quest'anno.

Il Centro della Protezione Civile di Foligno costituisce il complesso più rappresentativo delle iniziative in questione. Il progetto viene sviluppato con la collaborazione dell'Ing. Simin Naaseh dello studio Forell-Elsesser di San Francisco. Questa attività è considerata come un laboratorio di progettazione per sperimentare l'applicabilità e la validità di differenti soluzioni, studiate ciascuna in funzione delle particolarità architettoniche e della destinazione d'uso di ogni fabbricato. L'esempio più significativo è costituito dall'edificio della Protezione Civile (Fig. 7); un fabbricato a pianta circolare con un diametro di 30 metri, alto 22 metri il cui progetto merita di essere esaminato con qualche dettaglio. La struttura portante è formata da dieci archi prefabbricati, alla chiave dei quali è sospeso un nucleo cilindrico di cemento armato, precompresso assialmente, dove si svolgono i percorsi verticali (scale, ascensori ed impianti). Il nucleo sostiene al centro i solai circolari; questi, alla loro periferia, riportano il carico su travi di correa circolari, collegate direttamente agli archi. L'intera costruzione è appoggiata su dieci isolatori del tipo HDRB, del diametro di 800 mm, disposti a terra lungo la periferia di un basamento percorribile, in corrispondenza degli archi. La configurazione architettonica consente di pervenire ad uno schema strutturale che soddisfa bene a vari requisiti significativi dal punto di vista sismico e si armonizza con il funzionamento del sistema di isolamento. La costruzione possiede evidenti requisiti di regolarità e ripartisce in maniera uniforme le azioni sismiche fra tutti gli elementi resistenti. Sotto l'azione del massimo terremoto di progetto (PGA = 0.25g) l'insieme isolato risponde con spostamenti orizzontali di 20 cm ed un periodo di oscillazione di 2.2 secondi, mentre di per sé, la struttura in elevazione è molto rigida. Il periodo di oscillazione della costruzione a base fissa sarebbe di 0.25 secondi, per cui la massa partecipante al primo modo laterale è quasi del 99%. Le caratteristiche elastiche (massa e rigidezza) si riducono gradualmente verso l'alto. Il baricentro complessivo è basso; risultano così ridotti gli effetti di "rocking", sicché la risposta degli oscillatori e delle strutture è poco influenzata dalle variazioni di forza assiale indotte dal sisma. L'ubicazione degli isolatori lungo la periferia di una base larga, senza appoggi centrali, ottimizza la sensibilità della costruzione a qualunque eventuale effetto torsionale. Gli archi ricevono i carichi nella maniera più congeniale, perché sono prevalentemente compressi dai carichi verticali e, grazie ai collegamenti orizzontali dei solai di piano, rimangono praticamente tali anche sotto le sollecitazioni sismiche. Nella direzione verticale, nonostante la considerevole distanza fra gli appoggi, essendo però sostenuta dalle strutture compresse degli archi, la struttura è molto rigida. In ogni caso, le corrispondenti frequenze di oscillazione sono fuori dai valori critici per il disturbo degli occupanti.

La configurazione dell'intera costruzione si integra con la presenza degli isolatori anche dal punto di vista compositivo; questi ultimi infatti fanno parte dell'architettura del sistema. Per quanto riguarda gli aspetti distributivi e funzionali, l'edificio risolve la richiesta di libera percorribilità al livello del terreno senza ricorrere allo schema, sismicamente pericoloso, del piano "pilotis". I dispositivi, opportunamente protetti, sono lasciati in vista ad una quota leggermente superiore a quella del basamento. Questo costituisce anche la suola di fondazione, eliminando così il problema del giunto tecnico che altrimenti sarebbe stato necessario disporre intorno al fabbricato per lasciare avvenire liberamente gli spostamenti richiesti dal sistema di isolamento.

Infine, la struttura si presta ad essere realizzata con procedimenti industrializzati, secondo lo schema costruttivo riportato nella stessa Fig. 7.

Per quanto riguarda l'ospedale Silvestrini, è in corso di progettazione l'isolamento alla base del nuovo corpo di fabbrica, da realizzare sulla base del progetto precedente. La decisione di non modificare le strutture in elevazione del progetto già elaborato deriva dalla circostanza che, in aggiunta alla rilevanza che l'intervento possiede per se le sue dimensioni e per la sua destinazione d'uso, è presente al suo fianco un identico corpo di fabbrica non isolato già costruito. Questa realizzazione costituisce pertanto un'interessante opportunità di mettere in opera una strumentazione di monitoraggio permanente in entrambi gli edifici. Il sistema di monitoraggio sarà progettato e posto in opera in collaborazione con il Servizio Sismico Nazionale. La costruzione di questo edificio è stata finanziata nel mese di Marzo di quest'anno.

Ancora oggi i terremoti , producono danni e sconvolgimenti sproporzionati rispetto alle possibilità offerte dalla tecnica delle costruzioni. Una parte consistente degli insuccessi è da attribuire alla presenza di costruzioni non progettate con criteri antisismici. Si tratta sia delle vecchie costruzioni in muratura, ma anche di edifici di cemento armato di tipo ordinario costruiti nella seconda metà di questo secolo prima che il territorio di appartenenza fosse classificato sismico. Oltre a ciò, più volte le cause sono da ricercare in una certa grossolanità progettuale ed esecutiva, troppo spesso presente nel campo delle costruzioni civili ordinarie; ma anche lo sviluppo dei procedimenti industrializzati è stato più spesso rivolto a soddisfare gli interessi imprenditoriali piuttosto che le esigenze di sicurezza sismica.

A questo punto occorre stimolare un atteggiamento dei tecnici del settore più disponibile e più attento ai tutti i nuovi modi in cui oggi è possibile affrontare il problema della sicurezza sismica, sia da parte dei progettisti strutturali che degli architetti, ma anche da parte degli imprenditori e degli amministratori protagonisti delle decisioni. Al momento, una delle vie più promettenti, pur non essendo l'unica, è certamente quella dell'isolamento sismico. Per gli edifici di tipo corrente, l'isolamento alla base è la soluzione più semplice e più economica, a patto che se ne considerino e se ne sfruttino tutte le potenzialità attraverso progettazioni strutturali ed architettoniche ben coordinate.

In definitiva, gli aspetti progettuali da approfondire sono:

Il programma di attività portato avanti dalla Regione Umbria può essere considerato come un passo significativo ed efficace in questa direzione.