Un secolo di ingegneria sismica, dal Giappone all'Italia | Ingegneri.info

Un secolo di ingegneria sismica, dal Giappone all’Italia

In occasione del centenario del sisma di Avezzano, Enea ha dedicato uno speciale all'Ingegneria Sismica trattando anche il tema dell’isolamento sismico adottato sia sulle nuove costruzioni sia su quelle esistenti. I contenuti principali

(L’edificio principale del nuovo Centro della Protezione Civile di Foligno (ex zona sismica 1), isolato con 10 HDRB e collaudato nel 2011)
(L’edificio principale del nuovo Centro della Protezione Civile di Foligno (ex zona sismica 1), isolato con 10 HDRB e collaudato nel 2011)
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In occasione della ricorrenza nefasta del terremoto di Avezzano (13 gennaio 1915), l’istituto di ricerca Enea fa il punto della situazione sui progressi ottenuti da allora nel campo dell’ingegneria sismica, focalizzando l’attenzione su un tema più che mai attuale: l’isolamento sismico.

Le peculiarità dell’isolamento sismico sono state riscontrate a livello nazionale ed internazionale (ad esempio Cina e Giappone), riconoscendo al contempo l’esigenza tassativa di una buona progettazione; è, infatti, assurdo pretendere e pensare di affidare il buon comportamento strutturale al solo sistema di isolamento sismico.

Come riportato nel comunicato stampa di Enea, del 14 gennaio 2016, “L’Italia è tra i paesi leader mondiali per numero di strutture protette da sistemi antisismici – quinta dopo nazioni molto più popolose come Giappone, Cina, Russia, Stati Uniti – e prima in Europa per l’applicazione dell’isolamento e dissipazione di energia su edifici, ponti e viadotti. Il nostro paese vanta poi il primato mondiale per dispositivi ‘antiterremoto’ a tutela del patrimonio culturale. Tuttavia, per quanto riguarda la sicurezza del parco edilizio nazionale rispetto al rischio-terremoti, restano molte criticità: infatti, “oltre il 70% dell’edificato attuale non è in grado di resistere ai terremoti che potrebbero colpirlo, comprese scuole, ospedali e molti altri edifici strategici””.

Applicazione dei sistemi di isolamento sismico in Italia
In una nota stampa di accompagnamento allo speciale, Enea sottolinea la fragilità del patrimonio costruttivo e la necessità di operare forti e continua attività di prevenzione. Le nuove tecnologie antisismiche possono applicarsi alle costruzioni sia di nuova progettazione che esistenti. L’Italia è il paese leader, a livello europeo, per quanto attiene all’applicazione dell’isolamento e della dissipazione di energia agli edifici ed ai ponti e viadotti ed ha consolidato questo ruolo soprattutto dopo il terremoto in Abruzzo del 2009.
L’altra faccia della medaglia è che nel nostro Paese vi sono oltre 400 edifici dotati di dispositivi antisismici (AS) e che vengono tutelate opere importanti, ad esempio i bronzi di Riace, protetti da basamenti ‘antiterremoto’ ENEA che, insieme al Politecnico di Torino, ha anche brevettato un sistema antisismico per gli edifici monumentali.

La protezione del costruito nei confronti del terremoto può essere perseguita attraverso le seguenti vie:
– Approccio tradizionale: rendere la struttura sufficientemente robusta in modo da garantirne le prestazioni sismiche attese in occasione della scossa prevista per il sito in questione;
– Applicazione di sistemi di isolamento sismico che riducono drasticamente le azioni sismiche trasmesse dal terreno alla struttura. L’uso dell’isolamento sismico in edifici di nuova realizzazione non comporta, in genere, particolari problemi: è quasi sempre applicabile e, nelle zona a media e elevata sismicità, se ben progettato, non comporta alcun incremento del costo di costruzione. Per gli edifici esistenti, invece, l’inserimento dell’isolamento sismico non sempre è possibile sia per motivi tecnici (possibilità di intervenire in sicurezza alla base della costruzione, vicinanza di altri edifici, ecc.) che economici. In paesi come l’Italia ed altri che utilizzino normative sismiche simili a quella italiana, occorre, però, dedicare estrema attenzione alla corretta applicazione dei sistemi AS, in particolare di quelli d’isolamento sismico, affinché questi sistemi risultino effettivamente “salva vita” e non rendano, invece, l’opera meno sicura di una convenzionale (Martelli et al., 2014a). In particolare, quanto agli isolatori, occorre sceglierli, progettarli, qualificarli, produrli, verificarli, installarli, proteggerli ed ispezionarli in modo adeguato, assicurandosi anche che le loro caratteristiche previste a progetto restino inalterate durante l’intera vita della costruzione.
– Approccio combinato delle due soluzioni precedenti.

Osservazione del danno all’estero
Ogni Paese ha avuto un proprio evento sismico che ha delineato e innescato un processo innovativo ed evolutivo, abbinato ad un corrispondente approfondimento normativo.
In particolare quando il grado di esposizione ha incluso oltre che le vite umane anche edifici strategici e sensibili che, durante e dopo il sisma devono restare operativi ai fini del soccorso e del rifugio per la popolazione, diventa obiettivo fondamentale garantirne la sicurezza diminuendo gli elementi caratterizzanti la vulnerabilità sismica.

In Giappone il numero di edifici isolati sismicamente è incrementato dopo il Terremoto di Kobe del 1995. Metà degli edifici sono condomini ed il 15% sono invece ospedali.
In Figura 1 è riportato il numero di edifici isolati sismicamente negli anni in Giappone, distinto tra strutture abitative ed edifici pubblici (fonte: Japan Society of Seismic Isolation).
Nel suo lavoro l’ing. Taiki Saito osserva un incremento del costruito isolato sismicamente dopo gli anni 2000, dovuto probabilmente all’approvazione e all’applicazione delle nuove regole strutturali abbinate ad un procedimento costruttivo e di controllo più snello, ovvero non viene controllata la singola costruzione bensì la tecnologia costruttiva e la soluzione strutturale a cui ci si riferisce nella realizzazione.

2-A2-Figura 1

Incremento edifici isolati in Giappone, distinti rispettivamente tra edifici e case residenziali (fonte: Enea)

 

In figura 2 (sempre dalla pubblicazione dell’ing. Taiki Saito) sono riportate le prestazioni offerte dalle diverse tecnologie strutturali isolate sismicamente con diverse soluzioni di isolatori.

2-A2-Figura 2

Observed records of seismically isolated buildings (Iiba 2013). SI: seismic isolation floor, PcaPC: precast prestreesed concrete; NRB: natural rubber bearing, HRB: high damping rubber bearing, OD: oil damper, SD: stee; damper (fonte: Enea)

Altro Paese che dimostra i benefici occorsi dall’isolamento sismico è la Cina: dopo il terremoto del 2013 di Lu Shan, l’ospedale che era stato isolato sismicamente non ha subito danni ed è quindi rimasto operativo durante e dopo l’evento sismico, rivestendo il ruolo sociale che gli deve essere riconosciuto durante l’emergenza.

Particolarmente interessanti sono, a Lushan, due casi di strutture in c.a.: quello dell’ospedale della contea (7 piani fuori terra ed 1 interrato), costituito da due corpi di fabbrica fondati convenzionalmente ed uno con isolamento sismico alla base, e quello di due scuole elementari, l’una fondata convenzionalmente e l’altra isolata sismicamente, ambedue strumentate.
In figura 3 si evince che i due edifici dell’ospedale fondati convenzionalmente hanno subito danni sia strutturali che ai tramezzi, al tetto ed alle apparecchiature contenute, risultando inutilizzabili dopo il terremoto.

2-A2-Figura 3

(a) Vista (prima del terremoto del 20 aprile 2013) dell’ospedale della contea di Lu Shan, costituito da un edificio isolato sismicamente (quello frontale, nella foto) e due fondati convenzionalmente (quelli laterali).(b) Danni causati dal terremoto di Lushan del 2013 agli interni dei due edifici fondati convenzionalmente dell’ospedale (fonte: Enea)

Fino al 2014, in Cina si contano 5000 edifici isolati sismicamente, tra cui scuole, uffici, musei, biblioteche ed ospedali. Si tratta di costruzioni il cui numero di piani varia da 3 a 31, la tecnologia costruttiva corrisponde a telai in cemento armato e murature in mattoni. La tipologia di isolamento più adottata è “rubber bearings” e sono in corso attività sperimentali che comprendono:
1) indagini volte a caratterizzare meccanicamente l’isolatore: prove compressione (resistenza e deformabilità), prove cicliche ti taglio compressione (valutazione del drift, percentuale di smorzamento e taglio ultimo);
2) test legati alla durabilità dell’isolatore: prove di fatica;
3) indagini strutturali: prove su tavola vibrante su modelli in scala, contemplando una diversa posizione degli isolatori nella struttura.

2-A2-Figura 4

Prove su tavola vibrante con l’isolatore posto alla base, ad un piano o a più piani (fonte: Enea)

Tipi di isolatori
La maggior parte dei sistemi d’isolamento sismico fanno uso di dispositivi elastomerici (Rubber Bearing – RB), come quelli in gomma naturale ad alto smorzamento (High Camping natural Rubber Bearing – HDRB), in neoprene (Neoprene Bearing – NB), con nuclei interni in piombo (Lead Rubber Bearing – LRB), o (specialmente in Giappone) a basso smorzamento (Low Damping Rubber Bearing – LDRB) in parallelo a dissipatori di vario tipo: isteretici (Elastic-Plastic Damper – EPD), viscosi ecc.
Nelle applicazioni agli edifici, sovente, assieme ai RB, sono utilizzati isolatori a scorrimento a superficie piana acciaio-Teflon (Sliding Device – SD), per sostenere le parti leggere degli edifici stessi senza irrigidire inutilmente il sistema d’isolamento (cosa che lo renderebbe meno efficace) e (se i suddetti edifici sono significativamente asimmetrici nel piano orizzontale) per minimizzare gli effetti torsionali (quelli dovuti alle asimmetrie in direzione verticale sono ridotti drasticamente dal moto “quasi di corpo rigido” della sovrastruttura isolata).
Un’altra tipologia di isolatori, che è stata utilizzata in Italia dopo il terremoto in Abruzzo del 2009, è costituita dai cosiddetti isolatori “a pendolo scorrevole” (Curved Surface Slider – CSS), derivanti dal Friction Pendulum (FPS) americano e dal successivo Seismic Isolation Pendulum (SIP) tedesco. Infine, trovano importanti applicazioni anche isolatori “a rotolamento” (Rolling Bearing – RoB), in particolare i cosiddetti Ball Bearing (BB) e Sphere Bearing (SB): essi sono molto efficaci e trovano numerose applicazioni (più di 200 nel 2013) per la protezione di edifici in Giappone, ma non in paesi come l’Italia, per il loro costo elevato (però, anche in Italia, isolatori SB ed altri RoB sono già stati utilizzati per proteggere alcuni capolavori, teche museali e costose apparecchiature, incluse quelle di sale operatorie ospedaliere)” (testo citato da A. Martelli – DOI 10.12910/EAI2015-080).

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