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Lo spettro di progetto per edifici con isolamento sismico a livello intermedio:
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Articolo di approfondimento
Lo spettro di progetto per edifici con isolamento sismico a livello intermedio:
uno strumento per il predimensionamento
Ing. Francesco Esposito, PhD Ingegnere strutturista
Pubbl. 03 giugno 2026
La progressiva concentrazione della popolazione nelle aree urbane sta rendendo sempre più complesso il reperimento di nuovi spazi abitativi, direzionali e infrastrutturali all’interno di contesti già densamente costruiti. Secondo le proiezioni delle Nazioni Unite, la quota di popolazione mondiale residente in aree urbane è destinata a crescere sensibilmente nei prossimi decenni, raggiungendo circa il 68% entro il 2050 [1]. In tale scenario, la crescita verticale del costruito esistente rappresenta una strategia di particolare interesse, poiché consente di incrementare la superficie disponibile limitando il consumo di nuovo suolo e riducendo, almeno in linea di principio, il ricorso alla demolizione e ricostruzione integrale degli edifici [2].
Quando l’intervento riguarda edifici localizzati in aree a media o alta pericolosità sismica, tuttavia, la sopraelevazione pone un problema strutturale rilevante. L’aggiunta di nuovi livelli comporta infatti un cambiamento del sistema di partenza e può determinare un aumento della domanda sismica sulla costruzione esistente. Tale aspetto assume particolare importanza nel caso di edifici esistenti progettati secondo normative passate, per i quali il livello di sicurezza nella configurazione originaria può risultare non pienamente coerente con le prescrizioni e le prestazioni richieste dalla normativa vigente [3].
Questa criticità è particolarmente evidente quando la nuova porzione viene collegata rigidamente alla struttura esistente. In tal caso, la sopraelevazione diventa parte integrante del sistema resistente e modifica la risposta globale dell’edificio. Una soluzione alternativa consiste nel collegare la parte esistente e la nuova sopraelevazione mediante un sistema deformabile, ossia attraverso un’interfaccia di isolamento sismico. In questa configurazione, la risposta dinamica dell’edificio non dipende soltanto dalle proprietà della struttura originaria e della nuova porzione, ma anche dalle caratteristiche meccaniche e dinamiche del sistema di isolamento.
Il sistema con isolamento sismico a livello intermedio (Intermediate Isolation System, IIS) nasce proprio da questo principio. Esso può essere interpretato come una generalizzazione dell’isolamento sismico alla base, ottenuta spostando lo strato di isolamento a un livello intermedio dell’edificio. La costruzione risulta così suddivisa in due sottostrutture: la struttura inferiore (Lower Structure, LS), posta al di sotto dell’interfaccia di isolamento, e la struttura superiore (Upper Structure, US), posta al di sopra di essa. Nel caso delle sopraelevazioni, la LS coincide generalmente con l’edificio esistente, mentre la US corrisponde alla nuova porzione isolata.
Dal punto di vista dinamico, il comportamento di un edificio con IIS è più articolato rispetto a quello di un edificio isolato alla base. Il sistema combina infatti due strategie di controllo passivo delle vibrazioni: da un lato, l’isolamento sismico riduce le azioni trasmesse alla struttura superiore; dall’altro, l’interazione dinamica tra la parte superiore isolata e la struttura inferiore può produrre un effetto di smorzamento di massa sulla LS. In altri termini, la US non rappresenta soltanto una massa aggiunta, ma può contribuire, se opportunamente progettata insieme al sistema di isolamento, al controllo della risposta sismica della struttura sottostante.
Quindi, grazie alle sue peculiari caratteristiche, come mostrato in Figura 1, l’isolamento sismico a livello intermedio può essere impiegato in diversi scenari applicativi. Una prima possibilità riguarda il retrofit e l’estensione verticale di edifici esistenti, nei quali la nuova porzione viene realizzata al di sopra della costruzione originaria e separata da essa mediante lo strato di isolamento. Una seconda applicazione riguarda gli edifici esistenti per i quali l’isolamento alla base risulta difficilmente praticabile, ad esempio per l’impossibilità di garantire un adeguato gap lungo il perimetro dell’edificio. In questi casi, l’interfaccia di isolamento può essere collocata a un livello superiore, spesso in corrispondenza dei primi ordini di pilastri. Una terza possibilità riguarda edifici caratterizzati da significative irregolarità in altezza, nei quali una discontinuità geometrica o strutturale può costituire una sede naturale per l’inserimento del sistema di isolamento. Infine, l’IIS può essere adottato anche in edifici di nuova costruzione, soprattutto quando la presenza di destinazioni d’uso differenti lungo l’altezza determina variazioni rilevanti dello schema architettonico e strutturale, come nel caso di edifici con piani inferiori destinati ad attività commerciali e piani superiori destinati a uffici o residenze.
Il comportamento dinamico di un edificio con IIS può essere studiato mediante modelli di ordine ridotto a masse concentrate, nei quali le proprietà meccaniche delle diverse parti del sistema sono rappresentate attraverso masse, rigidezze e smorzamenti equivalenti. In particolare, un modello di riferimento a tre gradi di libertà consente di descrivere il comportamento dinamico di un edificio con IIS, rappresentando la struttura inferiore, il sistema di isolamento e la struttura superiore (Figura 2a). Tale modello consente di cogliere il ruolo della LS, del sistema di isolamento e della US nella risposta complessiva dell’edificio. Poiché, in un intervento su costruzione esistente, le caratteristiche della LS sono in larga parte assegnate, i principali parametri progettuali su cui è possibile intervenire riguardano la massa e la rigidezza della sopraelevazione e, soprattutto, le proprietà del sistema di isolamento. Le prime sono generalmente condizionate dal numero di livelli da realizzare, dalla destinazione d’uso e dalla tipologia costruttiva adottata; le seconde rappresentano invece il principale strumento di controllo della risposta dinamica del sistema.
Ne deriva che l’IIS può rappresentare una soluzione efficace per la sopraelevazione di edifici esistenti in zona sismica, a condizione che il sistema sia progettato in modo specifico sulla base delle proprietà dinamiche della costruzione originaria e della nuova struttura. In tali condizioni, l’incremento di massa associato alla sopraelevazione non implica necessariamente un incremento della domanda sismica sulla struttura esistente. Al contrario, la progettazione mirata dell’interfaccia di isolamento può consentire di ridurre la risposta della LS rispetto alla sopraelevazione convenzionale e, in alcuni casi, anche rispetto alla configurazione originaria dell’edificio.
In tutti questi casi, il tema centrale non è semplicemente la posizione dello strato di isolamento, ma la progettazione dell’interazione dinamica tra le diverse parti dell’edificio. È proprio da questa esigenza che nasce l’utilità di strumenti specifici per la progettazione preliminare, capaci di mettere in relazione le proprietà della struttura inferiore, della struttura superiore e del sistema di isolamento. Tra questi strumenti, lo spettro di progetto per IIS proposto in questo lavoro — indicato nel seguito anche come “curva IIS” — consente di valutare la variazione della risposta sismica della struttura inferiore al variare delle principali proprietà dell’interfaccia di isolamento, fornendo al progettista un supporto operativo per individuare configurazioni in grado di massimizzare l’effetto di controllo sulla LS.
Figura 1. Tipologie di intervento con isolamento sismico a livello intermedio (IIS): (a) edificio esistente con sopraelevazione isolata; (b) edificio esistente con configurazione regolare in altezza; (c) edificio esistente con configurazione irregolare in altezza; (d) edificio di nuova costruzione.
Lo spettro IIS come strumento di progetto
A partire dal modello di ordine ridotto introdotto in Figura 2a, la risposta di un edificio con isolamento sismico a livello intermedio può essere studiata mediante analisi parametriche a spettro di risposta. In un intervento su edificio esistente, le proprietà dinamiche della sottostruttura sono in larga parte assegnate; una volta definita anche la configurazione della sovrastruttura, il controllo della risposta sismica della LS può essere perseguito principalmente agendo sulle caratteristiche meccaniche e dinamiche del sistema di isolamento. In particolare, assumendo fissato il rapporto di smorzamento viscoso equivalente del sistema di isolamento, il periodo di isolamento TISO rappresenta il principale parametro di progetto, poiché condiziona il grado di accoppiamento dinamico tra la sovrastruttura isolata e la sottostruttura.
I risultati dell’analisi parametrica possono essere rappresentati attraverso un diagramma che mette in relazione il periodo di isolamento TISO, assunto come parametro di progetto, con la risposta della sottostruttura, espressa ad esempio in termini di spostamento massimo della LS. Tale diagramma costituisce lo spettro di progetto IIS. In Figura 2b, la curva nera rappresenta l’andamento della risposta della sottostruttura in funzione di TISO, mentre la linea orizzontale tratteggiata individua la risposta della LS nella configurazione iniziale e può essere assunta come valore di riferimento. Il confronto tra la curva e tale valore consente di riconoscere gli intervalli di periodo nei quali l’inserimento del sistema di isolamento determina una riduzione della risposta sismica della sottostruttura.
L’andamento dello spettro permette di distinguere quattro principali zone di comportamento:
- zona di sopraelevazione convenzionale, associata a periodi di isolamento molto brevi. In questa regione l’interfaccia di isolamento presenta una rigidezza elevata e la sovrastruttura risulta rigidamente connessa alla sottostruttura. La risposta della LS può quindi risultare superiore al valore di riferimento;
- zona di smorzamento di massa, nella quale l’interazione dinamica tra US e LS produce una riduzione dello spostamento massimo della sottostruttura. In questa zona la sovrastruttura isolata non agisce soltanto come massa aggiunta, ma contribuisce al controllo dinamico della risposta della LS;
- zona di transizione, nella quale, per periodi di isolamento progressivamente più lunghi, l’effetto di smorzamento di massa tende a ridursi e la risposta della sottostruttura si riavvicina gradualmente al valore di riferimento;
- zona di isolamento perfetto, associata a periodi di isolamento molto lunghi. In questa condizione la sovrastruttura risulta sostanzialmente disaccoppiata dalla sottostruttura e la risposta della LS tende al comportamento limite del sistema isolato.
Lo spettro evidenzia inoltre due condizioni limite: il punto P0 , corrispondente al caso di periodo di isolamento tendente a zero, e il punto P∞ , corrispondente al caso di periodo di isolamento tendente a infinito. Tali condizioni rappresentano due estremi teorici utili per interpretare l’evoluzione della risposta della sottostruttura al variare delle proprietà dinamiche del sistema di isolamento.
Figura 2. (a) Modello IIS a masse concentrate a tre gradi di libertà; (b) spettro di progetto IIS.
Comportamento non lineare dell’edificio esistente
Lo spettro IIS, nella formulazione introdotta in precedenza, è ottenuto mediante analisi lineari e descrive quindi la risposta della sottostruttura nell’ipotesi di comportamento elastico. Tuttavia, negli edifici esistenti, soprattutto in presenza di livelli significativi di domanda sismica, la struttura può manifestare una risposta inelastica, con progressiva riduzione della rigidezza e conseguente allungamento del periodo proprio equivalente.
Per individuare tale zona senza eseguire analisi non lineari per numerosi valori del periodo di isolamento, è stata definita una procedura articolata in cinque steps, rappresentata schematicamente in Figura 4:
Per tenere conto di questo aspetto senza rinunciare all’impiego degli spettri IIS, è possibile adottare una procedura basata sull’esecuzione di analisi dinamiche non lineari su modelli semplificati a un grado di libertà (1GDL). L’idea di fondo è che, quando la sottostruttura entra in campo inelastico, la curva IIS da utilizzare per prevederne la risposta non debba più essere riferita al solo periodo elastico iniziale TLS, ma a un periodo equivalente Teq, rappresentativo della struttura danneggiata.
Poiché il livello di danneggiamento della sottostruttura dipende anche dal periodo di isolamento TISO , la risposta non lineare non può essere rappresentata mediante una sola curva IIS costruita assumendo invariato il periodo elastico iniziale della LS, TLS. Si introduce quindi una zona di comportamento inelastico dell’IIS (inelastic Intermediate Isolation System, i-IIS), definita come la regione compresa tra due curve limite. Tale zona fornisce una previsione della risposta non lineare della sottostruttura al variare del periodo di isolamento.
Come mostrato in Figura 3, i punti P'0 e P'∞ rappresentano i due comportamenti limite della sottostruttura in campo inelastico. Il punto P'0 è associato al caso in cui il periodo di isolamento tende a zero: in questa condizione il sistema si avvicina al comportamento di una sopraelevazione convenzionale, con sovrastruttura quasi rigidamente connessa alla sottostruttura. Il punto P'∞, invece, è associato al caso in cui il periodo di isolamento tende a infinito: in questa condizione la sovrastruttura tende a risultare dinamicamente disaccoppiata dalla sottostruttura, che mostra una risposta prossima a quella dell’edificio esistente privo di sopraelevazione.
I due punti limite P'0 e P'∞ sono quindi associati a due diversi valori del periodo equivalente della sottostruttura danneggiata, indicati rispettivamente con TP'0 e TP'∞. Le due curve IIS corrispondenti delimitano la zona i-IIS, che può essere utilizzata per stimare l’intervallo di variazione atteso della risposta non lineare della sottostruttura per diversi valori di TISO.
Figura 3. Spettri di progetto IIS e zona di comportamento i-IIS per la previsione della risposta non lineare dell’edificio esistente.
Per individuare tale zona senza eseguire analisi non lineari per numerosi valori del periodo di isolamento, è stata definita una procedura articolata in cinque steps, rappresentata schematicamente in Figura 4:
- Step 1: definizione di due modelli equivalenti a un grado di libertà, rappresentativi dei comportamenti limite associati ai punti P'0 e P'∞ . Il primo modello descrive la configurazione con sopraelevazione convenzionale, mentre il secondo rappresenta la configurazione dell’edificio esistente senza il contributo della sopraelevazione isolata;
- Step 2: esecuzione di analisi dinamiche non lineari sui due modelli a 1GDL, impiegando un set di accelerogrammi spettro-compatibili con l’azione sismica di progetto;
- Step 3: identificazione dei periodi equivalenti TP'0 e TP'∞ a partire dalla risposta non lineare dei due modelli semplificati;
- Step 4: selezione delle due curve IIS corrispondenti ai periodi equivalenti individuati, per il valore assegnato del rapporto di massa μ;
- Step 5: definizione della zona i-IIS come regione compresa tra le due curve IIS selezionate, da utilizzare per la previsione della risposta non lineare della sottostruttura al variare del periodo di isolamento.
I grafici impiegati nello Step 3, ottenuti mediante analisi parametriche lineari a spettro di risposta, consentono di mettere in relazione la risposta massima della sottostruttura con il rapporto di massa μ e con il periodo equivalente Teq. Pertanto, noto il rapporto di massa del sistema e nota la risposta ottenuta dalle analisi non lineari sui modelli a 1GDL, è possibile individuare il periodo equivalente più rappresentativo della sottostruttura danneggiata. Successivamente, nello Step 4, vengono selezionate le curve IIS associate a tali periodi equivalenti, definendo così i limiti superiore e inferiore della zona i-IIS.
Il principale vantaggio operativo della procedura consiste nella possibilità di stimare la risposta non lineare della sottostruttura senza dover eseguire analisi dinamiche non lineari per ciascun valore del periodo di isolamento. È infatti sufficiente analizzare in campo non lineare due modelli di ordine ridotto, rappresentativi dei comportamenti limite del sistema, e utilizzare i risultati ottenuti per costruire la zona di comportamento i-IIS.
Figura 4. Procedura in cinque steps per l’individuazione della zona di comportamento i-IIS.
Come progettare un intervento di sopraelevazione isolata: la procedura in cinque blocchi
Gli strumenti descritti nei paragrafi precedenti possono essere inseriti all’interno di una procedura di progetto articolata in cinque blocchi, finalizzata alla progettazione di interventi di sopraelevazione isolata su edifici esistenti. La procedura consente di passare dalla valutazione della costruzione nella configurazione originaria alla selezione della soluzione con isolamento sismico a livello intermedio, fino alla verifica dettagliata della configurazione progettuale mediante modelli tridimensionali. La logica complessiva è illustrata nel diagramma di flusso riportato in Figura 5.
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Blocco 1 – Valutazione della struttura esistente.
In questa fase si valuta il comportamento sismico dell’edificio nella configurazione iniziale, con l’obiettivo di definire le proprietà dinamiche e meccaniche della sottostruttura, individuare eventuali criticità e stabilire la risposta di riferimento rispetto alla quale confrontare le successive configurazioni di progetto. -
Blocco 2 – Selezione della configurazione IIS.
Le possibili soluzioni con isolamento sismico a livello intermedio vengono esplorate mediante modelli semplificati. Se la sottostruttura mantiene un comportamento sostanzialmente elastico sotto l’azione sismica di progetto, la selezione può essere condotta attraverso lo spettro di progetto IIS. Se, invece, è attesa una risposta inelastica della struttura esistente, si applica la procedura in cinque steps descritta in precedenza, finalizzata alla definizione della zona di comportamento i-IIS. In entrambi i casi, il risultato principale del blocco è l’individuazione degli intervalli di periodo di isolamento TISO più efficaci per il controllo della risposta della LS. -
Blocco 3 – Progetto del sistema di isolamento e della sovrastruttura.
Sulla base delle indicazioni ottenute nel Blocco 2, si procede alla progettazione del sistema di isolamento e della sovrastruttura. In questa fase vengono definite le caratteristiche meccaniche dei dispositivi, il periodo di isolamento obiettivo, il rapporto di smorzamento equivalente e la configurazione strutturale della parte superiore. -
Blocco 4 – Verifica della configurazione con IIS.
La soluzione progettuale selezionata viene verificata mediante modelli tridimensionali più raffinati, in grado di rappresentare con maggiore accuratezza il comportamento globale dell’edificio, la risposta della sottostruttura, della sovrastruttura e del sistema di isolamento. Questa fase consente di controllare gli aspetti locali e globali che non possono essere colti completamente dai modelli di ordine ridotto. -
Blocco 5 – Valutazione dell’efficacia dell’intervento.
L’efficacia della soluzione con IIS viene valutata confrontando la risposta della configurazione progettuale con quella della configurazione iniziale e, ove necessario, con quella di una sopraelevazione convenzionale. Il confronto consente di verificare se la configurazione con sopraelevazione isolata consenta effettivamente di conseguire l’obiettivo prestazionale atteso, in termini di riduzione della risposta della struttura esistente.
Figura 5. Diagramma di flusso della procedura di progettazione proposta.
In questa impostazione, lo spettro IIS — e, quando necessario, la zona i-IIS — non sostituisce le verifiche avanzate, ma orienta in modo razionale e coerente le scelte preliminari di progetto, prima fra tutte l’individuazione del periodo di isolamento. In questo modo è possibile ridurre il ricorso ad analisi non lineari ripetute su numerose configurazioni, limitando l’approccio per tentativi alle sole soluzioni già selezionate come potenzialmente efficaci.
Conclusioni
Un sistema con isolamento sismico a livello intermedio può essere progettato attraverso un percorso metodologico strutturato, nel quale strumenti grafici di predimensionamento precedono la fase di verifica della sicurezza strutturale mediante analisi più dettagliate su modelli completi dell’edificio. In tale percorso, lo spettro IIS fornisce una lettura immediata delle diverse zone di comportamento dinamico al variare del periodo di isolamento, mentre la zona i-IIS consente di estendere l’impiego dello spettro anche a condizioni più realistiche, nelle quali la struttura esistente può manifestare una risposta inelastica.
In questo modo, la fase preliminare del progetto può includere esplicitamente la possibile non linearità della sottostruttura, mantenendo tuttavia un processo decisionale basato su strumenti sintetici, direttamente interpretabili e utili per orientare la scelta dei principali parametri progettuali. L’approccio proposto risulta inoltre coerente con le Design Recommendations for Seismically Isolated Buildings dell’Architectural Institute of Japan [4], che suggeriscono, per gli edifici con isolamento a livello intermedio, una procedura articolata in due fasi: una prima valutazione della risposta mediante metodi semplificati, finalizzata all’individuazione dei principali parametri di progetto, seguita da analisi dinamiche non lineari più dettagliate per la verifica della soluzione individuata.
Maggiori dettagli sulla procedura proposta e sulla sua applicazione a casi studio sono disponibili nella versione completa della tesi di dottorato dell’autore.
Ringraziamenti
I contenuti trattati nell’articolo sono estratti dalla Tesi di dottorato dell’autore. Si ringrazia la relatrice, Prof.ssa Elena Mele, per la supervisione scientifica della ricerca. Si ringraziano inoltre la Dott.ssa Diana Faiella e il Prof. Yoshiki Ikeda per il supporto scientifico fornito durante lo sviluppo del lavoro.
Riferimenti
[1].
United Nations, Department of Economic and Social Affairs, Population Division. World Urbanization Prospects: The 2018 Revision – Highlights. United Nations, New York, 2019. https://population.un.org/wup/assets/WUP2018-Highlights.pdf. Ultimo accesso: 17.05.2026
[2].
Urban Flows Observatory, The University of Sheffield. Vertical Extension and the Sustainable Future of our Cities. https://urbanflows.ac.uk/vertical-extension- sustainable-future/. Ultimo accesso: 17.05.2026
[3].
Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti. Aggiornamento delle “Norme tecniche per le costruzioni”, Decreto Ministeriale 17 gennaio 2018. Gazzetta Ufficiale della Repubblica Italiana, Serie Generale, n. 42 del 20 febbraio 2018, Supplemento Ordinario n. 8.
[4].
Architectural Institute of Japan. Design Recommendations for Seismically Isolated Buildings. AIJ, Tokyo, 2016.
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