Mass damper per la sicurezza sismica degli edifici

Terremoti e sistemi di protezione sismica con i mass dumper

I terremoti, rappresentano eventi naturali in conseguenza dei quali gli edifici e tutto ciò che in esso è contenuto, subiscono una serie di sollecitazioni, le quali in relazione alla violenza del sisma provocano danni al costruito e vittime umane.

Prevedere un terremoto, purtroppo ancora oggi non è possibile, ma è possibile provvedere a costruire in modo più sicuro, al fine di affrontare un evento sismico con più sicurezza e minor danno.


Nelle nazioni come il Giappone, in cui tali eventi catastrofici sono molto frequenti, sono stati studiati dei sistemi costruttivi, i mass dumper, capaci di assorbire e dissipare l'azione sismica, preservando l'integrità strutturale dell'edificio, unitamente alla incolumità degli occupanti.
I sistemi dissipativi citati, sono differenti tra loro, pur avendo come obbiettivo la riduzione delle sollecitazioni sismiche. Tale differenza è strettamente relazionata alle caratteristiche strutturali dell'edificio che s'intende proteggere, tenendo conto delle dimensioni e forma delle stesse.

Infatti è facile intuire la differenza di comportamento in presenza di una sollecitazione sismica, tra una struttura snella e molto alta, rispetto a una più rigida e di altezza ridotta.

Edifici alti in sicurezza con l'impiego di mass dumper

Proprio gli edifici più alti, oggigiorno sempre più presenti nelle grandi aree urbane, vanno progettati con sistemi capaci di smorzare l'ampiezza delle oscillazioni generate da vento e sisma, riducendo le sollecitazioni sulla struttura ed evitando danni strutturali.


Un dispositivo efficace in tal senso è rappresentato dal mass dumper, un enorme sfera sospesa all'interno della struttura portante dell'edificio, capace di opporsi agli spostamenti in sommità dell'edificio dovuti all'azione del sisma e del vento.

In tal modo, la massa oscillante del mass dumper, oscillando in controfase rispetto alla struttura sollecitata, ne contrasta l'intensità attraverso dei pistoni idraulici di collegamento.

Un esempio di tale realizzazione è rappresentato dal grattacielo Taipei 101 a Taiwan, alto 509,20 metri, il quale prende il suo nome proprio dal numero dei piani, appunto 101, di cui è costituito.

Progettare la sicurezza di un edificio valorizzandone l'estetica

L'enorme sfera di acciaio che costituisce una parte del sistema di smorzamento, a differenza delle altre realizzazioni in cui è nascosta in appositi comparti, è messa in mostra al pubblico, il quale può vedere con grande suggestione i suoi movimenti oscillanti, in presenza di sollecitazioni come vento e sollecitazioni sismiche.


In rete, sono presenti diversi filmati in cui è possibile vedere il dispositivo in funzione, ormai diventato fonte di grande attrazione turistica.


In seguito ad una sollecitazione sismica, un osservatore all'interno del grattacielo avrà la sensazione che sia la sfera a muoversi nel verso opposto a quello in cui oscilla la sommità del grattacielo.

Durante lo spostamento relativo fra sfera e grattacielo, si azionano i pistoni idraulici che, comprimendosi e allungandosi, dissipano l'energia in ingresso, riducendo l'ampiezza delle oscillazioni.


Per realizzare tale dispositivo dissipante, riveste notevole importanza la sua progettazione accurata, per garantire che la sfera oscilli in controfase, per cui la massa della sfera deve essere accuratamente dimensionata.

Per questo motivo il dispositivo viene definito a massa accordata.
Diffrentemente, se la massa non fosse correttamente proporzionata, potrebbe oscillare in fase e non in controfase rispetto alla struttura, ottenendo un effetto opposto a quello desiderato, ovvero un'amplificazione dell'ampiezza delle oscillazioni.

Il dispositivo antisismico installato nel grattacielo di Taipei, viene definito di tipo attivo, in quanto risponde al sisma in modo intelligente e dinamico, rilevando il movimento dell'edificio e sviluppando una forza di segno opposto per limitarne lo spostamento.

Dissipatori di energia per edifici con minore altezza

Per gli edifici di altezza minore, possono essere impiegati altri sistemi di dissipazione dell'energia sismica come gli isolatori e i dissipatori sismici, definiti anche sistemi passivi di dissipazione della sollecitazione sismica.

Con tali elementi, è possibile realizzare l'isolamento sismico della struttura limitando l'energia meccanica trasmessa dal terreno alla costruzione.

La realizzazione di tale isolamento, prevede l'interposizione, fra la base della struttura in elevazione e le fondazioni, di particolari cuscinetti chiamati isolatori sismici aventi una rigidezza per azioni taglianti molto inferiore rispetto alla rigidezza per azioni assiali.


Per dissipare l'energia sismica, possono essere inseriti nella struttura portante dell'edificio, dei controventi provvisti di dissipatori, capaci, sotto l'azione sismica, di assorbire grandi quantità di energia.

In questo caso, a differenza di quanto accade nell'isolamento sismico, l'energia fornita dal sisma alla struttura resta immutata, ma viene in gran parte assorbita dai dissipatori, con conseguente significativa riduzione delle sollecitazioni.

I diversi sistemi di sicurezza antisismica, possono essere impiegati anche congiuntamente, in relazione alla complessità strutturale dell'edificio da proteggere, all'importanza strategica dello stesso, oltre che alle caratteristiche e sviluppo della sagoma in pianta e in altezza.


Gli interventi sin qui descritti, che in fase di realizzazione ex novo, possono essere predisposti senza particolari difficoltà nella struttura da realizzare, diventano più problematici, quando occorre intervenire su edifici esistenti.

Una massa oscillante da inserire nel tetto di un edificio sul modello di quella presente nel grattacielo 101 di Taipei, di dimensione più ridotta, proporzionalmente all'azione sismica da contrastare, può essere realizzata con più facilità, rispetto a una serie di dispositivi da allocare nelle varie parti di una struttura esistente.

Sicurezza sismica e decoro architettonico

L'inserimento di dissipatori sismici all'interno di edifici già esistenti, se da un lato ne aumentano la sicurezza in seguito a una azione sismica, dall'altro ne alterano il decoro architettonico, limitando anche la fruibilità degli spazi esterni, occupando parte dei prospetti vetrati.

Pertanto, l'installazione dei sistemi di dissipazione dell'azione sismica nelle costruzioni esistenti, deve essere preceduto da un attento esame delle condizioni dell'edificio, mediante una serie di valutazioni circa le condizioni di sicurezza in cui l'edificio si presenta.


Vanno dunque prese in considerazioni la capacità resistente e/o deformativa della struttura, l'eventuale degrado e decadimento delle caratteristiche meccaniche dei materiali, le caratteristiche delle strutture di fondazione, ecc.

Occorre inoltre verificare se le condizioni di carico attuali rispettano quelle originarie. Infatti, cambi di destinazioni d'uso, possono comportare significativi incrementi dei carichi assegnati in fase di progettazione.

Intervento di miglioramento sismico e importanza dell'indagine preliminare

Nella fase di indagine occorre evidenziare anche eventualierrori di progettazione strutturale che già di per se possono rappresentare un fattore di rischio statico.

Le indagini descritte, dovranno stabilire se l'edificio esaminato può continuare ad essere utilizzato nelle condizioni in cui si trova o limitato in alcune sue parti.

In seguito all'indagine descritta, si potrà avere un quadro completo della situazione circa le condizioni di sicurezza dell'edificio, in seguito al quale, progettare un intervento di miglioramento sismico con i sistemi più adatti.


Lo studio delle condizioni di sicurezza si rivela molto utile anche quando occorre cambiare la destinazione d'uso dell'edificio in questione.

Infatti, in funzione di come verrà utilizzato l'edificio, potranno essere progettati gli interventi migliorativi adeguati alla funzione a cui l'edificio sarà destinato.

Quali sono i costi della sicurezza sismica?

I costi di un intervento, rivolto a migliorare la sicurezza sismica di un edificio, non possono essere definiti in modo semplicistico, stante la complessità dei casi e delle caratteristiche strutturali da proteggere.

Si pensi ad esempio alle difficoltà di intervento su strutture storiche protette giustamente da vincoli in materia di tutela architettonica, in cui l'inserimento di alcuni dei dispositivi citati, altererebbe l'aspetto originario.

In ogni caso, investire dei soldi per migliorare la sicurezza di un edificio, è sicuramente la cosa più giusta da fare, tenendo conto non solo del valore dell'immobile da proteggere ma soprattutto delle vite umane da salvare.