Isolamento sismico di edifici in C.A.: analisi del comportamento ed aspetti progettuali

Isolamento sismico di edifici in c.a.: Analisi del comportamento ed aspetti progettuali 
Prefazione 
vulnerabile all’azione dei terremoti, evidenziando che molte strutture in cemento 
armato sono state realizzate con armature e calcestruzzi del tutto inadeguati, che 
sovente le rendono non solo incapaci di resistere al terremoto, ma addirittura 
insicure a fronte dei soli carichi statici. 
La pericolosità sismica di un’area dipende dai livelli dei terremoti che in essa 
possono avvenire; mentre il rischio sismico dipende, oltre che dalla pericolosità 
sismica, anche dagli effetti, che i terremoti suddetti possono produrre in relazione 
alle attività che si svolgono nell’area stessa, e alle caratteristiche delle strutture 
che vi si trovano. Da queste indicazioni si evince che in Italia, il rischio sismico è 
molto elevato. 
Con la nuova classificazione, in pratica, tutto il territorio italiano è considerato, 
giustamente, a rischio sismico, laddove solo il 43% lo era precedentemente e solo 
il 25% lo era prima del 1980, nelle zone sismiche 1, 2, 3, rientra circa il 70% del 
territorio nazionale, come era stato proposto da esperti già nel 1998, in più 
l’Ordinanza introduce anche la zona sismica 4, comprendente il restante 30% del 
territorio, nella quale si progetterà con criteri semplificati e forze sismiche ridotte, 
atte a garantire comunque la presenza di sistemi resistenti alle azioni laterali nelle 
due direzioni ortogonali, al fine di evitare il ripetersi di assurde tragedie, come 
quella verificatasi a San Giuliano di Puglia (Italia), durante il pur modesto 
terremoto del Molise del 31 ottobre 2002. 
La normativa sismica italiana precedente all’Ordinanza, per strutture diverse dagli 
impianti nucleari, si basava sul principio che, le nuove costruzioni dovevano 
essere in grado di sopportare, senza danni evidenti, un sisma di media intensità; in 
occasione di un terremoto violento si richiedeva che la struttura non crollasse, ma 
si accettava che la stessa si danneggiasse anche irreparabilmente, tale principio 
ben presto si è dimostrato economicamente non sostenibile, giacché i danni 
provocati dai sismi più recenti, hanno comportato l’impiego di ingenti somme di 
denaro pubblico, sia nella fase di emergenza, che in quella successiva di 
ricostruzione. Inoltre è ovvio che le strutture strategiche (ospedali, caserme, 
impianti elettrici e telefonici, ponti e viadotti, essenziali per le comunicazioni 
nella fase di gestione dell’emergenza) dovrebbero restare operative durante e dopo 
il sisma, e che le strutture ad alta intensità di presenza umana (in primis le scuole) 
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o contenenti materiali pericolosi, dovrebbero rispettare assai più stringenti 
requisiti di sicurezza. 
L’integrità assoluta di una costruzione, implica la totale protezione non solo degli 
elementi strutturali, ma anche di quelli non strutturali (tamponature, pareti interne, 
oggetti contenuti): riguardo a questi ultimi, è da sottolineare che le cause di 
maggior danno, sono i valori crescenti nel piano orizzontale, dalla base alla 
sommità della costruzione, sia dell’accelerazione che dello spostamento (in 
particolare degli spostamenti relativi): le prime causano, ad esempio, ribaltamento 
e caduta di oggetti, mentre i secondi danno luogo a rotture delle pareti interne, dei 
tamponamenti, delle tubazioni verticali, ecc. Tali fenomeni, non sono ambedue 
contemporaneamente eliminabili, in una costruzione realizzata in modo 
convenzionale (dove per convenzionale si intende una struttura a base fissa). 
Il metodo più efficace per evitare i danni di un terremoto si basa su un intuizione 
di 2500 anni fa; nella Historia naturalis, Plinio il Vecchio racconta che il tempio 
di Diana, a Efeso, era scampato alle più violente scosse telluriche, perché le sue 
fondamenta erano protette da “uno strato di frammenti di carbone e da un altro di 
velli di lana”, quando arrivavano le scosse, l’edificio sacro, non subiva grosse 
oscillazioni, ma scorreva dolcemente sul terreno, restando indenne. In Cina, nella 
provincia di Sanxi, nel 313 d.c., con tecniche analoghe, era stato costruito un 
monastero che, insieme con un tempio eretto nel anno 1056, ha sfidato terremoti 
disastrosi, di cui uno di grado 8,2 della scala Richter, in oltre il ponte Zhauzhou, 
nella provincia cinese di Herbei, costruito nel 581 d.c. è ancora in ottimo stato, 
pur avendo subito tre violenti terremoti. Anche in Italia, un ponte molto meno 
antico si è fatto onore, il viadotto Somplago, in Friuli, il solo a restare in piedi 
dopo il sisma del 1976. 
Questi ponti ed edifici hanno in comune il principio dell’isolamento sismico. Si 
tratta di un approccio profondamente diverso dal tradizionale concetto di 
protezione sismica. Per difendere gli edifici dal terremoto, la progettazione 
convenzionale tende verso due soluzioni differenti, con uguale livello di 
sicurezza. La prima, punta essenzialmente sulla capacità di resistenza alle scosse 
degli elementi strutturali. La seconda, invece, punta essenzialmente sulla capacità 
di dissipazione (capacity design) degli elementi strutturali, creando un gerarchia 
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delle resistenze, in cui le travi hanno il compito di dissipare l’energia sismica in 
ingresso mediante la formazione di cerniere plastiche, lasciando indenne nodi e 
pilastri. Entrambi gli approcci, accettano un danneggiamento più o meno diffuso e 
sostanziale della struttura, con conseguenti costi di ristrutturazione o abbattimento 
e ricostruzione dell’edificio. 
Con la progettazione passiva degli edifici attraverso l’isolamento sismico, 
l’approccio risulta completamente diverso, si tende a modificare il segnale in 
ingresso, riducendone gli effetti sulla struttura, e lasciando indenne la sua 
funzionalità. Questa tecnica è ormai uscita dalla fase pionieristica, ed è pronta 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 garantiscono le migliori prestazioni e ne riducono i 
costi, coinvolgendo in questo studio ingegneri e architetti 
Questo lavoro di tesi si orienta su una valutazione economica e prestazionale 
dell’isolamento alla base con isolatori in gomma ed acciaio applicato agli edifici 
in c.a.. 
Si darà particolare importanza allo studio e all’ottimazzazione dell’isolamento 
sismico per questo tipo di strutture, analiziamo una struttura A progettata a B.F., 
la stessa con isolatori alla base e una terza, riprogettata ed ottimizzata per il B.I.S. 
Si effettueranno valutazioni e confronti economici, sia per l’edificio a base fissa 
che per quelli a base isolata, e si valuteranno i vantaggi conseguibili con 
l’applicazione di questa tecnologia in termini di danno alla struttura sotto diversi 
input sismici. 
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Introduzione 
INTRODUZIONE 
L'isolamento sismico, uscito ormai dalla fase di sperimentazione a cui ogni 
nuova tecnologia deve sottoporsi, è pronto per divenire un sistema di impiego 
corrente per la protezione sismica degli edifici civili. Più delle analisi teoriche, e 
delle ricerche di laboratorio, la sua efficacia, è stata chiaramente dimostrata dalle 
risposte delle costruzioni isolate che hanno subito terremoti violenti, e dal 
confronto delle stesse, con edifici non isolati, ciò è stato possibile grazie all'esame 
delle registrazioni su edifici monitorati durante il terremoto di Los Angeles del 
1994 e più ancora con quello di Kobe del 1995. Dopo quest'ultimo evento, in 
particolare, in Giappone si è avuto un incremento rapidissimo delle costruzioni 
protette dal sisma mediante sistema di isolamento, sia per quanto riguarda la 
ricostruzione del grande numero di ponti e viadotti, sia per la realizzazione di 
nuovi edifici di tipo residenziale e commerciale isolati alla base (fig. 1). 
Figura 1 Edifici isolati in Giappone – 2005 
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Introduzione 
Figura 2 Edifici isolati nel mondo – 2005 
L'isolamento, si presenta anche come una tecnica di grande interesse per la 
protezione sismica del patrimonio architettonico di valore storico, in fatti, in 
California, dove si assiste ad un forte sviluppo di tutti i tipi di applicazione, essa è 
stata utilizzata per l'adeguamento sismico di importanti costruzioni esistenti di 
interesse storico. Per isolare, si richiede ai tecnici una nuova visione del progetto 
strutturale, abbandonando alcune abitudini radicate nella cultura dell’ingegnere o 
architetto che sia, infatti 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, per costruzioni di edilizia corrente, invece, si contano 
ben poche applicazioni di questa tecnologia. 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, per arrivare a questo risultato si dovrebbe armonizzare il progetto 
strutturale con le caratteristiche del sistema di isolamento, la fase architettonica, 
dovrebbe essere condotta in vista della successiva applicazione dell’isolamento, in 
modo da migliorare le prestazioni e ridurre al massimo i costi di realizzazione. 
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Introduzione 
Per conseguire quanto detto sopra, si possono mettere in evidenza vantaggi, sia 
nel campo teorico che pratico, conseguibili con questa tecnologia, infatti, oltre alla 
riduzione delle sollecitazioni sismiche negli elementi resistenti, esistono altri 
aspetti, che non sempre vengono visti nella giusta luce, e che la rendono 
particolarmente vantaggiosa ed efficace. Isolare alla base, è la maniera più 
semplice per ridurre le accelerazioni ai piani, e quindi sugli elementi non 
strutturali, questo fattore, molto importante, non sempre viene tenuto nella 
considerazione che merita, fatto sta, che 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 
giudicata uno degli obiettivi principali della progettazione, perché consente di 
evitare molti danni agli elementi strutturali, e non strutturali, nonché agli oggetti 
contenuti nel fabbricato stesso. 
Sono oltre 3000 (fig. 2) nel mondo gli edifici sismicamente isolati ed è soprattutto 
il Giappone, con 2500 applicazioni, a contribuire in modo determinante a questo 
incremento, che è iniziato immediatamente dopo il disastroso terremoto di Kobe 
del 1995, quando l’edificio isolato più grande del mondo, il Ministero delle Poste 
e Telecomunicazione di Sanda City (vicino a Kobe), superò indenne il sisma, 
dimostrando la grande efficacia di questa tecnologia, il boom delle costruzioni 
isolate in Giappone, come si nota dalla fig.I.1, si è avuto dopo il 2001 quando si è 
abolita l’autorizzazione speciale per i progetti con isolamento sismico. 
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Figura 3 Kanagawa University – Yokohama (Japan) 
Inoltre, in questo paese, sono state fatte applicazioni anche ad edifici alti, ad 
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esempio a Tokyo, un edificio di 87 m (19224 m di superficie abitabile) è stato da 
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poco completato; uno ancor più alto (130 m, 47613 m) è in fase di realizzazione 
ad Osaka, per questi edifici, il cui periodo di isolamento è di circa 4 s, sono 
ammessi anche sforzi di trazione sui dispositivi, questo dimostra l’estrema 
affidabilità raggiunta dai sistemi d’isolamento. Vale la pena di citare una 
realizzazione che può tranquillamente essere considerata avveniristica: a Tokyo è 
in fase di costruzione una vasta area di 12,349 m2 (chiamata artificial ground) 
(fig.I.4) isolata alla base, su cui sorgeranno 21 edifici residenziali alti dai 6 ai 14 
piani, l’enorme ‘solettone’ di calcestruzzo, sotto cui è ricavato un grande 
parcheggio, è sorretto da 242 isolatori che danno alla sovrastruttura di 111,600 t 
un periodo di 6.7 s ed uno spostamento di progetto di 800 mm. 
In Cina le applicazioni sono più di 450, l’ultima importante realizzazione si triva a 
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Pechino, dove 50 edifici dai 7 ai 9 piani di altezza, per un totale di 480,000 m di 
superficie abitabile sono posti su di una unica immensa sottostruttura a 2 piani di 
2
3 km (1500 x 2000 m) che contiene tutti i servizi, inclusi treni e metropolitane, 
per questa struttura, l’isolamento ha consentito un risparmio del 25%, con il quale 
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si è potuto innalzare di 3 piani i 50 edifici, con un aumento di 100000 m di 
superficie abitabile. 
Figura 4 Artificial Ground - Tokyo 
Negli Stati Uniti, le applicazioni sono limitate in numero e ad edifici importanti, a 
causa della severa normativa che impone la condizione di near field (vicinanza 
alla faglia), tra le applicazioni si ricordano il retrofit della City Hall e dall’Asian 
Art Museum di San Francisco, o la realizzazione del centro per la gestione delle 
emergenze di San Francisco, progettato per resistere ad un sisma di magnitudo 
8.3. In Italia invece, dopo primi anni novanta la realizzazione del Centro 
Regionale Telecom di Ancona, l’isolamento sismico ha subito una battuta 
d’arresto a causa della carenza di normativa, oggi invece si stanno riprendendo i 
lavori grazie alle realizzazioni del dopo terremoto in Umbria e Marche (1997), e 
del Molise (2002). Attualmente, in Italia, esistono 25 edifici isolati alla base, ma 
altri 6 sono in fase di realizzazione e ben altri 30 sono in avanzata fase di 
progettazione. 
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Figura 5 Andamento delle applicazioni dell’isolamento sismico in Italia 
I progetti più interessanti sono: 
- Il nuovo centro per la gestione delle emergenze della Protezione Civile, che 
sorgerà a Foligno (PG) e che prevede la realizzazione di 13 edifici isolati. 
- Gli ospedali di Frosinone e di Udine, che si aggiungono all’ospedale della 
Marina Militare di Augusta (SR) e al Centro Medico della Marina Militare 
di Ancona. 
- Sei applicazioni riguardano edifici già esistenti (retrofit): quattro sono 
attualmente in corso (Centro Civico di Soccavo (NA), palazzina di Fabriano 
(AN), ed edifici IACP di Solarino (SR)) e due in fase di progetto o 
approvazione (chiese di Nocera Umbra (PG) e Apagni (PG), danneggiate dal 
sisma Umbro-Marchigiano del 1997). 
E’ da notare che il Complesso Polifunzionale del Rione Traiano a Soccavo (NA) 
(fig. 6) sarà uno degli edifici con più isolatori al mondo (vi saranno installati più 
di 600 isolatori). 
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Figura 6 Centro polifunzionale di Soccavo (NA) 
Si auspica, inoltre, che la nuova normativa che regola il settore dell’isolamento 
sismico incoraggi, come in Giappone, l’uso di questa tecnica di protezione 
sismica un futuro. 
Sarà ora riportata una tabella che riassume le applicazioni dell’isolamento sismico 
in Italia, completate ed in fase di realizzazione, nonché quelle in fase di 
progettazione. 
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Tabella I. 1 Tabella riassuntiva applicazioni isolamento in italia, completate ed in 
fase di realizzazione 
Figura 7Edifici isolati in Italia – 2005 
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Introduzione 
Fatta questa breve carrellata sullo stato delle applicazioni nel mondo ed in 
particolare in Italia, ci resta solo di parlare delle procedure di progetto. Si tende a 
credere che il progetto di una struttura isolata sia più complesso e meno affidabile 
di quello di una normale struttura a base fissa, al contrario, occorre sottolineare la 
maggiore affidabilità degli abituali procedimenti di calcolo quando questi sono 
applicati al progetto delle costruzioni con isolamento alla base, anziché a quello 
delle costruzioni a base fissa. Considerando l’isolamento alla base con isolatori 
elastomerici e acciaio, un miglioramento del comportamento della struttura si 
ottiene quando: 
- Si eleva il periodo di oscillazione della struttura, questo dovrebbe 
raggiungere almeno 2,5 secondi per trovarsi certamente al di fuori del 
campo delle frequenze tipiche dei terremoti. 
- Si eleva il rapporto fra il periodo fondamentale della struttura isolata 
(struttura indeformabile sopra gli isolatori) e quello della struttura a base 
fissa, questo rapporto dovrebbe essere pari almeno a 3 per essere certi di 
ottenere un vero disaccoppiamento fra il moto della struttura e quello del 
terreno. 
Gli edifici isolati hanno due fondamentali caratteristiche: 
- Il primo modo è configurato quasi come quello di un corpo rigido che si 
muove lentamente sopra un letto di dispositivi deformabili, con 
accelerazioni molto basse, con scorrimenti di piano modesti, e con una 
partecipazione delle masse superiore al 90%. Questo modo identifica in 
maniera quasi totale la risposta della struttura in fase di sisma. 
- La partecipazione dei modi superiori, che maggiormente solleciterebbero le 
strutture, è molto ridotta e poco efficace per quanto riguarda sia le 
deformazioni interne che le accelerazioni trasmesse. 
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Introduzione 
Spettri di progetto allo stato limite ultimo
0,80
DM 96
0,70
OPCM isolato q=1.5
0,60
OPCM B.D. q=3.27
OPCM A.D. q=5.85
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
 Figura 8 Spettri di progetto a confronto. 
Poiché il primo modo riproduce quasi totalmente la risposta della costruzione, i 
modelli numerici usati in fase di progetto, sono più aderenti alla realtà rispetto a 
quelli per i quali si debbano combinare più modi significativi, secondo criteri 
aleatori (SRSS, CQC). 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, inoltre, la risposta delle strutture isolate è 
più facilmente determinabile, in quanto, essendo gli isolatori prodotti e testati 
industrialmente, se ne conoscono bene le caratteristiche, cosa che non è vera per 
gli elementi resistenti delle ordinarie strutture intelaiate, ancora più significative 
sono le indeterminazioni delle strutture ordinarie quando si mobilita il campo 
plastico, mentre per le strutture isolate si conosce perfettamente il ciclo isteretico 
degli isolatori e la struttura in elevazione rimane essenzialmente in campo 
elastico. Le accelerazioni di piano, come detto precedentemente, 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 I.2 si 
riferiscono alla risposta di un edificio isolato registrata a Kobe e ad quella di un 
edificio adiacente non isolato. 
14
 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
2,4
2,6
2,8
3
3,2
3,4
3,6
3,8