L'innovazione nel settore ambiente

È ovvio che gli edifici, almeno quelli strategici (ospedali, ecc.) o pubblici (scuole, ecc.), dovrebbero resistere indenni anche ai terremoti più violenti attesi durante la loro vita e mantenere la loro completa funzionalità dopo tali eventi. Ciò, però, non è possibile per le costruzioni tradizionali, pur se progettate con moderni criteri antisismici. Si comprende, quindi, perché l’attenzione di molti ricercatori e dell’industria si sia concentrata, negli ultimi 20/30 anni, sulla messa a punto di tecnologie innovative per la riduzione degli effetti dei terremoti[1-4]. Da un lato, l’obiettivo è stato di superare le limitazioni delle costruzioni tradizionali, riassumibili nel secondo dei requisiti della moderna ingegneria sismica (quello che, a fronte del non crollo per effetto di terremoti di forte intensità, implica, di fatto, l’accettazione di un danno anche considerevole e, dunque, dell’inutilizzabilità dell’edificio); dall’altro, si sono voluti rendere più semplici ed efficaci, nonché più economici, gli interventi di miglioramento ed adeguamento sismico delle strutture esistenti.

Delle moderne tecnologie antisismiche sviluppate negli ultimi anni e già oggetto di oltre 10.000 applicazioni a tutte le tipologie di costruzioni in oltre 30 paesi (inclusa l’Italia, che è il paese leader nell’Unione Europea e che segue, a livello mondiale il Giappone, la Cina, la Federazione Russa e gli USA), quella più efficace è l’isolamento sismico[1-4]. Numerosi sono già i ponti e gli edifici isolati che hanno superato indenni violenti terremoti, soprattutto in Giappone, negli USA ed in Cina[1-4]. Contrariamente a quanto avviene utilizzando l’approccio convenzionale, la progettazione con l’isolamento mira alla drastica riduzione delle forze sismiche agenti sulla struttura, piuttosto che affidarsi alla sua resistenza[1-4]. Più precisamente, si disaccoppia il movimento della costruzione, usualmente solo nel piano orizzontale, da quello del terreno, “filtrando” così almeno le componenti orizzontali del terremoto (che sono quelle più pericolose). Per gli edifici ciò è effettuato mediante l’inserimento – usualmente alla base o in corrispondenza del piano più basso – di dispositivi, detti isolatori, orizzontalmente estremamente flessibili (per lo più in gomma armata internamente con lamine d’acciaio) e/o a scorrimento od anche a rotolamento; pertanto, sopra gli isolatori, la struttura (se non è eccessivamente flessibile) si muove rigidamente nel piano orizzontale, con valori molto piccoli sia dell’accelerazione che degli spostamenti d’interpiano e, quindi, senza danneggiamento non solo delle parti strutturali, ma neppure di quelle non strutturali, contenuti compresi (condizione indispensabile per garantire il funzionamento della struttura dopo il terremoto).

Si realizza, cioè, per la cosiddetta sovrastruttura, che è la parte della struttura sorretta dagli isolatori, una drastica riduzione sia dell’accelerazione e delle sue variazioni verticali che delle deformazioni orizzontali e verticali, cosa impossibile per una costruzione fondata in maniera convenzionale. Infatti, il periodo proprio della costruzione aumenta considerevolmente (usualmente fino ad oltre 2 s e talvolta molto di più) e, pertanto, le accelerazioni della struttura decrescono fortemente; è vero che, in parallelo, crescono fortemente i suoi spostamenti trasversali, ma, nei casi in cui l’isolamento è applicato, queste deformazioni sono praticamente tutte concentrate negli isolatori. Inoltre, le strutture isolate si muovono molto lentamente e per pochi cicli, minimizzando così il panico, fenomeno che può essere molto pericoloso negli edifici pubblici affollati, in particolare nelle scuole. Da quanto sopra, emergono alcune condizioni per l’applicabilità dell’isolamento sismico: che la struttura non sia troppo flessibile, che il terreno non sia troppo soffice e, soprattutto, che, lateralmente alla costruzione isolata, sia disponibile o realizzabile uno spazio (giunto strutturale o gap) tale da permettere il movimento rigido della sovrastruttura (usualmente dai 10 ai 40 cm in Italia, fino ai 50÷80 cm tipici di aree con elevatissima pericolosità sismica come il Giappone o la California).

Quest’ultima condizione manca spesso nei centri abitati esistenti e, quindi, spesso impedisce di adeguarne sismicamente gli edifici con l’isolamento (quando tale tecnica non sia utilizzabile, è però usualmente possibile utilizzarne altre, come, ad esempio, la dissipazione di energia[1-4]). È comunque da sottolineare che numerosi vecchi edifici dovrebbero essere trattati come tali e, quindi, demoliti e ricostruiti con le necessarie caratteristiche di sicurezza, e non tutti considerati alla stregua del patrimonio culturale. Sebbene la funzione principale del sistema d’isolamento sia di filtro dell’energia sismica, esso deve però possedere anche una sufficiente capacità dissipativa, in modo da limitare lo spostamento di progetto a valori accettabili.

Quando si utilizzino isolatori in gomma, ciò si ottiene o additivando la gomma con particolari oli e resine (isolatori ad alto smorzamento o High Damping Rubber Bearing o HDRB, Figure 1a ed 1c), od inserendo all’interno degli isolatori nuclei di piombo o fluidi siliconici (per ottenere un coefficiente di smorzamento ancora maggiore del 15% raggiungibile con gli HDRB), od installando alcuni dissipatori accanto ad isolatori in gomma, usualmente a basso smorzamento (Low Damping Rubber Bearing o LDRB). Ovviamente, oltre ad essere caratterizzato dalle funzioni principale e secondaria summenzionate, un sistema d’isolamento adeguato deve possedere: una buona capacità ricentrante (cioè di riportare la struttura alla posizione iniziale una volta terminato il terremoto); una vita utile sufficientemente lunga (almeno pari a quella delle usuali costruzioni, sebbene debba essere anche garantita la sostituibilità degli isolatori); rigidezza crescente al diminuire del livello dell’eccitazione sismica (elevata per quelle di modesta entità, così da impedire continue vibrazioni, ad esempio, sotto l’azione del vento); rigidezza e smorzamento poco sensibili ad effetti quali le variazioni di temperatura, l’invecchiamento, ecc.



Figura 1 – (a) Isolatore in gomma HDRB, con vista delle lamine d’acciaio interne atte a conferire un’elevata rigidezza verticale all’isolatore. (b) Isolatore a scorrimento SD. (c) Sistema d’isolamento del Corpo delle Guardie Forestali del Centro della Protezione Civile di Foligno (Perugia).



Figura 2 – (a) Crollo della scuola elementare Francesco Jovine di San Giuliano di Puglia durante il terremoto del Molise e della Puglia del 31 ottobre 2002. (b) La nuova scuola Francesco Jovine, eretta su un’unica platea isolata sismicamente assieme al Centro Culturale, Professionale ed Universitario “Le Tre Torri”, ambedue collaudati dallo scrivente, per conto dell’ENEA, e dal socio del GLIS ing. Claudio Pasquale il 2 settembre 2008 ed inaugurati dal Presidente del Consiglio il successivo 18 settembre. (c) Vista di alcuni degli isolatori sismici che proteggono il complesso suddetto (prima dell’installazione delle griglie di protezione “anti-ratto”).



Figura 3 – L’edificio principale del Centro Operativo Emergenza e Formazione del Centro della Protezione Civile di Foligno (Perugia), durante la costruzione su 10 HDRB di 1 m di diametro (maggio 2009). Lo scrivente fa parte, in rappresentanza dell’ENEA, delle commissioni di collaudo statico ed amministrativo in corso d’opera di tale edificio e di uno attiguo, pure isolato sismicamente. Il sito del Centro, che consisterà in almeno 7 edifici isolati (3 dei quali già completati) è stato riclassificato da categoria sismica 2 a zona sismica 1 nel 2003, ma, grazie, all’isolamento sismico, non è stata necessaria alcuna modifica delle strutture (come ha dimostrato uno studio effettuato con la collaborazione dell’ENEA).



Figura 4 – (a) Il primo edificio residenziale isolato sismicamente in Italia (1992), sito a Squillace Marina (CZ) e protetto da 43 fra LDRB e HDRB (tale edificio ed uno affiancato fondato convenzionalmente furono sottoposti a prove dinamiche in situ ed a dettagliate analisi numeriche, effettuate con la collaborazione dell’ENEA). (b) Palazzina di 3 piani a Fabriano (AN), fortemente danneggiata negli elementi non strutturali dal sisma umbro-marchigiano del 1997- 98 e successivamente riparata ed adeguata mediante la realizzazione di un nuovo piano interrato e l’inserimento di 56 HDRB nei nuovi pilastri di tale piano, e vista di quest’ultimo (prima applicazione europea dell’isolamento sismico in sottofondazione, collaudata dallo scrivente nel 2006, che ha comportato un risparmio del 20% rispetto ad un intervento di miglioramento sismico convenzionale).


Gli attuali isolatori in gomma ormai possiedono tutte queste caratteristiche. Sono, comunque, tuttora utilizzati anche altri dispositivi d’isolamento sismico: ad esempio, gli isolatori “a scorrimento” (Sliding Device o SD, ora usualmente costituiti da superfici piane di acciaio sovrapposte a superfici, pure piane, di teflon, Figura 1b), o quelli “a pendolo scorrevole” (applicati a L’Aquila, sotto piastre in cemento armato, per sorreggere i prefabbricati per gli sfollati). Quanto agli isolatori SD, in alcune realizzazioni, soprattutto in Giappone e da qualche anno anche in Italia, essi sono accoppiati ad isolatori in gomma, i quali forniscono la capacità ricentrante, per sorreggere parti di edifici che non devono sostenere carichi verticali rilevanti e/o per contribuire a minimizzare gli effetti torsionali; in tal modo si possono isolare in modo economico, ad esempio, anche edifici leggeri o con forti asimmetrie in pianta. Quello dello scorrimento è il concetto su cui erano basate le prime applicazioni dell’isolamento sismico, proposte od anche realizzate, già nell’antichità[1-4]. È da sottolineare che l’isolamento sismico è usualmente applicato solo nel piano orizzontale, perché la componente verticale dei terremoti è normalmente meno violenta di quelle orizzontali, almeno al di fuori della zona epicentrale, e perché le strutture, dovendo già sostenere il loro peso, resistono assai meglio alle vibrazioni verticali che non a quelle orizzontali; inoltre, con l’isolamento tridirezionale è spesso arduo controllare i moti di beccheggio (sebbene particolari sistemi antibeccheggio siano stati sviluppati per gli impianti nucleari giapponesi). Infine, quando è necessario proteggere apparecchiature o altri oggetti particolarmente delicati, ad esempio, computer, opere d’arte, o componenti degli impianti nucleari rilevanti ai fini della sicurezza, anche dalle vibrazioni verticali, è usualmente più agevole isolare orizzontalmente la base dell’edificio che li contiene e verticalmente solo i piani d’interesse, o gli oggetti o componenti stessi.

L’isolamento è una tecnica di agevole applicazione, sia in fase progettuale, dato che la sovrastruttura resta in campo elastico, sia durante la realizzazione, nel caso di nuove costruzioni (Figure 1c-4a), ma può essere utilizzato (e lo è già stato sovente, dapprima in Nuova Zelanda e negli USA ed ora anche in Italia, oltre che in Giappone, in Armenia, nella Repubblica Popolare Cinese e, più recentemente, nella Federazione Russia ed in Turchia) anche per l’adeguamento o il miglioramento sismico di strutture esistenti (retrofit): in questo caso esso è attuato, per gli edifici, mediante il taglio delle fondazioni o delle strutture portanti (pilastri e pareti) del piano più basso, ovvero mediante la sottofondazione (Figura 4b). L’applicazione di questa tecnica è particolarmente vantaggiosa per edifici che presentano notevoli asimmetrie in pianta e/o in alzato. Tali asimmetrie, infatti, risultano assai problematiche per gli edifici non isolati, in aree significativamente sismiche; in particolare, quelle in pianta generano pericolosi effetti torsionali. Ecco che allora, per evitare forti asimmetrie geometriche in pianta o in alzato, occorre spesso separare gli edifici fondati convenzionalmente in più corpi di fabbrica sufficientemente simmetrici.

Ciò, invece, non è usualmente necessario per costruzioni isolate, perché il movimento quasi rigido della sovrastruttura minimizza gli effetti negativi delle asimmetrie in alzato e l’utilizzazione di dispositivi “a pendolo scorrevole”, ovvero un’opportuna disposizione degli isolatori in gomma – unita, eventualmente, a diversi valori delle loro rigidezze ed all’uso di SD (Figura 2) – in genere consente di portare il centro di rigidezza del sistema d’isolamento a coincidere, o quasi, con la proiezione del baricentro della costruzione sul piano dell’isolamento (condizione per evitare le deformazioni torsionali). La possibilità di costruire, grazie all’isolamento, edifici assai asimmetrici e/o di forma ardita (Figura 3), comporta ovviamente vantaggi importanti per il progetto architettonico: per giovarsi pienamente di tali vantaggi è però indispensabile che dell’uso di tale tecnica si tenga conto fin dal progetto architettonico e che architetto ed ingegnere lavorino fin dall’inizio gomito a gomito. La nuova normativa sismica italiana, di recente divenuta di uso obbligatorio, oltre ad aver liberalizzato l’uso delle moderne tecnologie antisismiche, lo ha reso più conveniente, permettendo, in particolare, nel caso di strutture isolate, di tener conto della riduzione delle forze sismiche agenti sulla sovrastruttura e sulle fondazioni, operata dal sistema d’isolamento, e di assumere, per la sovrastruttura, accelerazione costante (invece che crescente) dalla base alla sommità, coerentemente con il movimento di corpo rigido che essa presenta. I progetti predisposti basandosi sulla nuova normativa mostrano che, nelle nuove costruzioni, queste semplificazioni annullano spesso i costi aggiuntivi dovuti al sistema d’isolamento, in quanto questi costi sono almeno parzialmente compensati dai risparmi dovuti all’alleggerimento della sovrastruttura e delle fondazioni. Inoltre, anche limitate asimmetrie inducono effetti significativi sul progetto: pertanto, in alcuni casi, con l’isolamento i costi di costruzione risultano addirittura inferiori.

Per gli edifici esistenti, poi, i risparmi possono essere ancora più consistenti, perché sono evitati estesi interventi agli elementi strutturali e non (Figura 4b). Alcuni esempi riguardanti i costi di costruzione di edifici strategici, pubblici e residenziali, già realizzati in aree caratterizzate da diversa pericolosità sismica, sono riportati nel N. 26 di luglio 2009 della Rivista degli Ingegneri del Veneto (FOIV)[5]. Tali esempi mostrano che l’isolamento risulta spesso conveniente, dal punto di vista economico, anche per gli edifici residenziali, pur se di forma regolare: ad esempio, per quelli di nuova costruzione in cemento armato siti in aree di media sismicità (ex zona sismica 2), l’uso di tale tecnica può addirittura comportare una riduzione dei costi di costruzione quando la sovrastruttura consti di oltre 4 piani.

Comunque, anche nel caso in cui i costi aggiuntivi di costruzione dovuti all’isolamento sismico non risultino totalmente compensati, resta sempre a favore di tale tecnica, oltre alla sicurezza nettamente maggiore, il bilancio economico complessivo, che tiene correttamente conto anche dei costi da affrontare dopo un terremoto (delocalizzazione degli abitanti, interruzione delle attività, demolizioni, asportazione e sistemazione dei detriti, riparazioni, ricostruzione, ecc.). Inoltre, occorre considerare gli effetti ambientali ed i costi energetici causati dalle attività suddette. Dunque, le tecnologie atte a proteggere integralmente le costruzioni dal terremoto esistono e sono di costo limitato: non vi è più alcuna scusa per non utilizzarle. Ciò costituisce una grande opportunità per il settore delle costruzioni. Occorre però vigilare sulla corretta applicazione di tali tecnologie.

Infatti, al di là delle fondamentali considerazioni di carattere etico e giuridico, anche il solo danneggiamento, durante un terremoto, di una struttura dotata di sistemi antisismici che sia stato causato dall’inadeguatezza di tali sistemi o dalla loro scorretta installazione, provocherebbe enormi danni a tutto il settore, con riflessi oltremodo negativi anche sulla crescita della sicurezza sismica nel nostro paese. Infatti, sarebbe poi assai difficile convincere l’opinione pubblica che la causa del danneggiamento non è stata l’inadeguatezza della tecnica costruttiva utilizzata, bensì quella dei dispositivi installati o la loro errata applicazione.


Bibliografia

• Mauro Dolce, Alessandro Martelli e Giuliano Panza (2005), Proteggersi dal Terremoto: le Moderne Tecnologie e Metodologie e la Nuova Normativa Sismica, 2a edizione, ISBN 88-87731-28- 4, 21mo Secolo, Milano.
  
  
• Mauro Dolce, Alessandro Martelli e Giuliano Panza (2006), Moderni Metodi di Protezione dagli Effetti dei Terremoti, Edizione speciale per il Dipartimento Nazionale della Protezione Civile a cura di A. Martelli, ISBN 88-87731-30-6, 21mo Secolo, Milano.
  
  
• Alessandro Martelli, Umberto Sannino, Alberto Parducci e Franco Braga (2008), Moderni Sistemi e Tecnologie Antisismici. Una Guida per il Progettista, ISBN 978-88-87731-37-8, 21mo Secolo, R. Irsuti, ed., Milano.
  
  
• Umberto Sannino, Horea Sandi, Alessandro Martelli e Ion Vlad (2009), Modern Systems for Mitigation of Seismic Action – Proceedings of the Symposium Held at Bucharest, Rumania, on October 31, 2008, ISBN 978-973-720-223-9, AGIR Publishing House, Bucarest.
  
  
• Alessandro Martelli (2009), «Isolamento sismico: serve realizzarlo correttamente – Per mantenere un edificio isolato in condizioni di sicurezza occorre che siano rilasciate istruzioni a chi gestirà l’edificio durante la sua vita. La normativa non ne fa ancora cenno. Presto una proposta del GLIS», Rivista FOIV, N. 26, pp. 20-23.