La ricerca proposta si inquadra nell'ambito della protezione sismica di sistemi, quali apparecchiature o impianti, contenuti in strutture strategiche per le quali è richiesta la piena operatività in fase post-sismica. Per tali strutture, pur in assenza di collasso o di danni strutturali rilevanti, i danni riportati dagli elementi non strutturali possono compromettere la funzionalità della struttura, esporre a rischio l'ambiente e la vita umana, comportando costi sociali ed economici molto superiori a quelli derivanti dai danni strutturali. L'isolamento sismico rappresenta una delle strategie di controllo più utilizzate ed efficaci nel ridurre le accelerazioni trasmesse agli apparati interni. Tuttavia, in presenza di terremoti di tipo near-fault, tali sistemi possono risentire di risonanze a bassa frequenza, dando luogo ad eccessivi spostamenti che possono danneggiare il sistema di isolamento stesso, oppure possono provocare urti tra il sistema isolato ed eventuali strutture adiacenti, se lo spazio a disposizione non è sufficiente.
L'obiettivo della ricerca proposta è quello di investigare l'efficacia di sistemi di controllo innovativi, che prevedano l'accoppiamento di dispositivi di isolamento sismico con paracolpi deformabili (soft shock absorbers), ai fini della mitigazione degli effetti dell'urto. A differenza di molti lavori disponibili in Letteratura, l'impatto verrà modellato tenendo conto della deformabilità del paracolpi.
Lo studio, a carattere sia numerico che sperimentale, ha diversi risvolti applicativi. Pur essendo pensato per le apparecchiature, esso potrà essere generalizzato, quanto a metodologia e risultati, alla protezione sismica di altre tipologie di sistemi, quali edifici, ponti, impianti ed elementi non strutturali rilevanti (i beni storici ed artistici contenuti nei musei o i dispositivi medicali utilizzati negli ospedali). Diverse sono inoltre le applicazioni in ambito biomedico (capsule endoscopiche) e meccanico (trivelle di perforazione).
A livello normativo, si riscontra una lacuna che non consente di armonizzare la progettazione strutturale con quella degli elementi non strutturali nel perseguimento di livelli prestazionali legati allo stato limite di esercizio. Paesi ad elevata sismicità, ed avanzati dal punto di vista tecnologico (es. Stati Uniti, Nuova Zelanda), si sono già dotati di regolamenti relativi alla progettazione antisismica di elementi non strutturali (FEMA 74-1994; FEMA 450-2003; FEMA P-750-2009; NZS 4219:2009).
In Italia, le nuove Norme Tecniche per le Costruzioni (D.M. 17/01/2018) appaiono deficitarie a riguardo. Esse prescrivono criteri antisismici per la progettazione e la verifica degli elementi non strutturali ma, per elementi il cui peso eccede "il 30% del carico permanente totale del solaio su cui è collocato o il 10% del carico permanente totale dell'intera struttura" (§7.2.4), si limitano a richiedere analisi dinamiche specifiche senza fornire alcuna indicazione a riguardo.
È d'interesse evidente lo studio di quelle applicazioni che prevedono apparecchiature dotate di massa significativa, interagenti dinamicamente con la struttura portante. Per tali applicazioni si richiede l'elaborazione di modelli e metodologie di analisi che i progettisti possano impiegare nelle fasi di progettazione e di verifica sismica. Il numero dei lavori scientifici che affrontano i temi della progettazione e della protezione sismica delle apparecchiature è ancora esiguo. Appaiono molto promettenti le applicazioni delle tecnologie innovative basate sul controllo delle vibrazioni, benché ancora poco numerose. Questa linea di ricerca risulta essere coerente con lo spirito della normativa italiana, che tanta attenzione riserva all'impiego dei nuovi dispositivi di protezione sismica.
L'isolamento sismico rappresenta una delle tecniche di controllo passivo più efficaci nel ridurre le accelerazioni trasmesse agli apparati interni. Nelle configurazioni proposte, l'apparato da proteggere può corrispondere o ad un intero piano dell'edificio (floor isolation system) sul quale ancorare un insieme eventualmente complesso di apparecchiature (Hamidi e Naggar 2007) oppure ad una singola apparecchiatura (equipment isolation) (Lu e Lin 2008). Dalla letteratura è emersa anche la necessità di distinguere il caso in cui l'apparato interno ha una massa dinamicamente trascurabile rispetto a quella della struttura di supporto (
I sistemi passivi d'isolamento (Alhan e Gavin 2005) risultano efficaci ed affidabili nella riduzione delle accelerazioni sismiche trasmesse alle apparecchiature in presenza di terremoti di tipo far-field. Tuttavia, nel caso di terremoti impulsivi di tipo near-fault come quello de L'Aquila, è stato osservato che tali sistemi possono risentire di risonanze a bassa frequenza, dando luogo ad eccessivi spostamenti (Gavin e Zaicenco 2007). Tali spostamenti possono danneggiare il sistema di isolamento, oppure possono provocare urti tra il sistema isolato ed eventuali strutture adiacenti, se lo spazio a disposizione non è sufficiente.
Al fine di superare queste limitazioni, è stata proposta (Lu e Lin 2008) l'adozione di sistemi d'isolamento di tipo ibrido, realizzati mediante la combinazione di isolatori passivi e dispositivi semi attivi. Allo stato attuale, tali sistemi risultano promettenti in quanto efficaci nel ridurre le accelerazioni sismiche e, al contempo, nel limitare lo spostamento relativo entro valori di soglia, ma sono ancora poco affidabili per le applicazioni reali. In concorrenza con questi, altri studi propongono sistemi d'isolamento passivo di tipo non-lineare (Ismail et al. 2009).
Ai fini della mitigazione dell'azione sismica, particolarmente innovativa e molto limitatamente trattata in Letteratura e solo dal punto di vista analitico e/o numerico, è la soluzione consistente nell'affiancare all'isolatore sismico dei paracolpi deformabili. Il carattere sia sperimentale che numerico della ricerca proposta ne rappresenta dunque un primo elemento distintivo e di originalità. Inoltre, nello studio proposto, l'impatto viene modellato tenendo conto della deformabilità del paracolpi, a differenza di molti lavori nei quali si ricorre al coefficiente di restituzione. La determinazione di intervalli ottimali per le caratteristiche di rigidezza e smorzamento dell'isolatore e dei paracolpi e la loro distanza dalla massa costituente il sistema da salvaguardare, ai fini della mitigazione della risposta dinamica, rappresenta un altro contributo innovativo della presente proposta di ricerca. Essendo il problema dell'impatto presente in numerose applicazioni pratiche tipiche non solo dell'ingegneria civile, ma anche dell'ingegneria biomedica (capsule endoscopiche) e meccanica (trivelle di perforazione), lo studio proposto, avrà diversi risvolti applicativi e potrà essere generalizzato, quanto a metodologia e risultati, alla protezione sismica di diverse tipologie di sistemi.