Edifici con isolamento alla base. Perché costruire in Italia alla maniera dei "giapponesi"?

Giappone paese sismico per eccellenza....
Quando si parla di edifici antisismici si pensa subito ai giapponesi ed agli edifici che quotidianamente realizzano con sistemi sofisticati e d'avanguardia.
In particolare, nell'immaginario comune, le case antisismiche di ultima generazione sono quelle sugli appoggi in gomma, ovvero, sui cosiddetti "isolatori elastomerici".
In realtà questa tecnologia è già abbastanza vecchiotta (alcune applicazioni furono fatte in Italia già negli anni ottanta) ma solo oggi sta iniziando ad essere utilizzata di frequente dai progettisti italiani.
Del sistema di "isolamento alla base" (così viene definito) si è detto molto sia a favore che contro; in questo articolo cercheremo di capire quali sono le potenzialità e le problematiche ad esso collegate.

Come funziona un edificio isolato alla base

I dispositivi antisismici definiti isolatori sono di diverso tipo ma si differenziano in due macro categorie:

• isolatori elastomerici
• isolatori a scorrimento

Isolatori elastomerici

Isolatori a scorrimento

i primi sono quelli in gomma, i secondi sono costituiti da due parti che scorrono tra loro con un determinato valore di attrito.
Il principio di funzionamento di ambedue si basa sul disaccoppiamento del moto del terreno da quello dell'edificio. In altre parole fanno in modo da rendere quasi completamente indipendenti la vibrazione del terreno e quella dell'edificio.
Nel video che segue si capisce molto bene come funzionano i dispositivi di isolamento.

Come ben si capisce dal video, nel caso di edificio isolato, il terreno di fondazione si muove senza riuscire a trascinare la struttura in elevazione in quanto gli "isolatori" sono così flessibili da non riuscire a trasmettere in tempo la forza di trascinamento orizzontale fornita dal suolo in movimento.
Al contrario, nel caso di "struttura a base fissa" il movimento del terreno viene istantaneamente trasferito alla costruzione.
Un edificio isolato è divisibile in tre parti:

La sottostruttura
E' la parte di edificio che si trova sotto la quota degli isolatori, ovvero tra il terreno ed il sistema di isolamento

Il sistema di isolamento
E' costituito dall'insieme dei dispositivi di isolamento

La sovrastruttura
E' la parte di edificio che si trova sopra gli isolatori

Di seguito un'immagine che spiega meglio quanto appena descritto.

Dall'immagine precedente si vede che l'edificio isolato ha uno spostamento che interessa quasi esclusivamente la sottostruttura per cui, ad esempio, lo spostamento relativo tra due solai successivi è ridottissimo, ed è proprio questo fatto che produce gli innumerevoli vantaggi descritti più avanti.
Una struttura a base fissa (cioè senza isolatori) avrà un comportamento deformativo che interessa tutti i piani della struttura ed avrà uno spostamento interpiano (cioè tra due solai successivi) piuttosto significativo come mostrato nell'immagine seguente.

Lo spostamento interpiano, anche detto "Drift di piano", è il responsabile dei danni alle tamponature ed agli elementi strutturali.

Danno alle tamponature causato dal drift di piano

Danno ai pilastri causato dal drift di piano

Vantaggi delle strutture isolate

Gli edifici con isolamento alla base beneficiano di innumerevoli vantaggi:

Drastica diminuzione delle forze sismiche percepite dall’edificio
Come riportato sopra, le azioni orizzontali a cui l'edificio o meglio la sovrastruttura viene sottoposta sono notevolmente ridotte fino a circa il 20% di quella per la struttura a base fissa

Minimizzazione dei danni subiti dalle strutture (spesso totalmente assenti)
La prima conseguenza della diminuzione delle forze sismiche percepite è quella della diminuzione drastiche dei drift di piano e quindi (per il motivo citato precedentemente) dei danni alle strutture.
Spesso (quasi sempre) i danni strutturali sono completamente assenti.

Minimizzazione dei danni negli elementi non strutturali ed agli impianti
La seconda conseguenza della diminuzione delle forze e del drift di piano è l'assenza dei danni agli elementi non strutturali (infissi, tramezzature interne, pavimentazioni, controsoffitti......) ed agli impianti (idraulico, elettrico, riscaldamento, ascensore....).

Minimizzazione dei danni al contenuto dell’edificio
Una importante conseguenza è anche quella della salvaguardia del contenuto interno dell'edificio come ad esempio: arredi, attrezzature, opere d'arte, ecc.....
Questo aspetto è molto importante, specialmente se si parla di opere strategiche, musei e aziende in cui ci sono attrezzature costosissime.
Durante il terremoto del 2009 de L'Aquila l'ospedale di Coppito subì lievi danni strutturali (quasi nulla in termini di numero di elementi interessati), nonostante ciò fu messo quasi completamente fuori servizio in quanto l'arredo e le attrezzature dei reparti (unitamente ad alcuni controsoffitti) furono sbalzati a terra danneggiandosi ovvero divenendo inutilizzabili.

Assenza di panico da parte dell’utenza
Beh, sicuramente, l'aspetto della gestione del panico dell'utenza, nel caso di strutture isolate, è estremamente semplificato, infatti l'utente non avverte o avverte in minima parte che ci sia un terremoto in atto per cui non si spaventa ed effettua l'evacuazione post-scossa in maniera più regolare ed ordinata.
Per gli edifici strategici con funzione di primo soccorso e protezione civile questo aspetto è essenziale.

Immediata operatività a seguito di un evento sismico
Per quanto finora espresso è ovvio che un grande vantaggio delle strutture sismicamente isolate è quello dell'immediata utilizzazione dopo il terremoto, con un enorme guadagno in termini di efficienza.
Per gli edifici strategici con funzione di primo soccorso e protezione civile questo aspetto è essenziale.

Aspetti critici degli edifici isolati

Presenza di una forte discontinuità di spostamenti orizzontali tra ciò che si trova sopra e sotto la quota degli isolatori
Ebbene si, il problema tecnologico degli edifici isolati è che la sovrastruttura subisce spostamenti molto elevati dell'ordine dei 30-40cm a seconda della sismicità della zona. Questo aspetto è piuttosto delicato in quanto, ad esempio, gli impianti devono essere dotati di giunti in grado di assorbile tali spostamenti per non danneggiarsi durante la scossa. Si pensi alle scale, agli ascensori, a tutte le parti edilizie deputate al collegamento verticale degli ambienti e dei sistemi impiantistici. Tutto deve essere in grado di garantire lo spostamento atteso. Molto importante, infatti è il posizionamento della quota di isolamento (cioè quella a cui vengono disposti gli isolatori).

Potrebbero andare in crisi per terremoti con grosso contenuto energetico alle basse frequenze
Lo scopo dell'isolamento sismico è quello di modificare la frequenza di vibrazione dell'edificio portandolo verso la zona delle basse frequenze. Normalmente i terremoti hanno hanno grossi contenuti energetici alle medie e alte frequenze mentre hanno poca energia associata alle basse frequenze. Nonostante tutto è possibile, seppur alquanto improbabile, che arrivi un'azione sismica con un sufficiente contenuto energetico alle nell'intorno della frequenza dell'edificio isolato ovvero un terremoto, diciamo così, "lento".... beh in tal caso gli isolatori potrebbero andare in crisi per risonanza raggiungendo spostamenti superiori a quelli di progetto. E' una probabilità remota ma che potrebbe verificarsi.

Manutenzione periodica dei dispositivi di isolamento
Gli isolatori vanno manutenuti come tutti i componenti edilizi (serramenti, impianti, copertura, ascensore, caldaia, .....) la frequenza ed il costo di manutenzione dipendono dal tipo di isolatore utilizzato (elastomerico o a scorrimento). Di sicuro vanno controllati dopo una scossa di media intensità per accertarne l'eventuale danneggiamento e quindi predisporne la sostituzione immediata.

Sicurezza antincendio
Richiedono maggiore attenzione per quanto riguarda la sicurezza antincendio (soprattutto in vista del fatto che di frequente vengono posizionati all'interno dei garage).