Introduzione del pendolo invertito come meccanismo a rigidità negativa e di un nuovo sistema strutturale per migliorare la risposta sismica mediante un approccio a rigidità quasi-zero

Perché edifici più sicuri sono importanti

Per le persone che vivono in aree soggette a terremoti, la sicurezza degli edifici non è una preoccupazione astratta: determina se case, ospedali e infrastrutture critiche restano utilizzabili dopo una scossa importante. Questo studio presenta un nuovo modo per proteggere gli edifici dai terremoti ripensando il modo in cui sono collegati al terreno. Invece di limitarsi a rendere le strutture più robuste o rigide, gli autori progettano un sistema di sostegno intelligente che permette all’edificio di muoversi in modo controllato e dolce, così da filtrare gli scuotimenti pericolosi prima che raggiungano i piani occupati.

Come gli edifici affrontano solitamente i terremoti

Gli edifici tradizionali sono progettati principalmente per sopportare il peso verticale di solai, pareti e coperture. Nel tempo gli ingegneri hanno aggiunto controventi, pareti taglio e telai rigidi per gestire meglio le spinte laterali causate dai terremoti. Queste misure aumentano la rigidezza laterale di un edificio, aiutandolo a resistere a forze intense ma potendo anche causare grandi sollecitazioni interne e danni quando il terreno si muove rapidamente. Per ridurre questo problema, i moderni sistemi di isolamento sismico inseriscono elementi flessibili — come cuscinetti in gomma o pendoli scorrevoli — tra l’edificio e la fondazione. Questi sistemi allungano il periodo naturale di «oscillazione» dell’edificio in modo che si muova fuori fase rispetto alle frequenze sismiche più dannose, riducendo l’intensità delle vibrazioni che raggiungono la struttura.

Una novità: usare la «rigidità negativa»

L’innovazione di questo articolo consiste nel combinare deliberatamente due comportamenti opposti in un unico sistema ibrido: la rigidità positiva, che tende a riportare un oggetto spostato verso la posizione di equilibrio, e la rigidità negativa, che tende invece a spingerlo ulteriormente fuori equilibrio. La componente positiva è fornita da un isolatore a base di pendolo — simile per principio ai cuscinetti pendolari esistenti — mentre la componente negativa proviene da un pendolo invertito costituito da un nucleo centrale pesante appoggiato su colonne con estremità libere di rotazione. Disposti insieme, l’involucro strutturale esterno poggia su isolatori pendolari che vogliono riportarlo al centro, mentre il nucleo interno più pesante si comporta come una colonna leggermente instabile che «ammorbidisce» la resistenza laterale complessiva. Il risultato è uno stato di rigidità quasi-zero: su un intervallo utile di spostamenti, l’edificio sembra estremamente flessibile, oscillando lentamente e dolcemente invece di sobbalzare violentemente con il terreno.

Come funziona il sistema ibrido nella pratica

Per comprendere il meccanismo, gli autori formulano innanzitutto le equazioni del moto per una coppia di pendoli collegati — uno normale e uno invertito — utilizzando metodi energetici. Queste equazioni mostrano che introdurre rigidità negativa aumenta efficacemente il periodo di vibrazione del sistema, come se un pendolo corto si comportasse improvvisamente come uno molto più lungo. Nei test numerici, un pendolo di un metro dotato di rigidità negativa rispose come se fosse lungo cinque metri. Il team poi simula la risposta del sistema sotto tre registrazioni sismiche ben note degli Stati Uniti e del Giappone. Confrontano diversi casi: una struttura con base fissa, una struttura con isolamento a sola rigidità positiva e il nuovo sistema ibrido con vari livelli di smorzamento.

Cosa rivelano le simulazioni

Le analisi sismiche mostrano che l’aggiunta di rigidità negativa riduce drasticamente le accelerazioni trasmesse alla struttura, rendendo il moto più regolare e meno violento per occupanti e contenuti. Importante, a differenza di molti isolatori convenzionali che ottengono accelerazioni più basse a scapito di spostamenti maggiori, il sistema proposto può effettivamente ridurre anche gli spostamenti. Misure basate sull’energia confermano che l’isolatore ibrido lascia entrare meno energia sismica nella struttura rispetto sia a una struttura a telaio fisso sia a un sistema isolato standard con lo stesso periodo di base. L’analisi tramite Trasformata di Fourier Veloce, che scompone il moto nelle sue componenti in frequenza, dimostra inoltre che il sistema ibrido filtra gran parte del contenuto in frequenze dannose, mentre lo smorzamento aggiunto mantiene sotto controllo le risonanze.

Testare l’idea su un edificio realistico

Per andare oltre i modelli astratti, gli autori progettano un telaio in acciaio a quattro piani composto da due parti interagenti. I telai esterni poggiano su isolatori pendolari e forniscono la rigidità positiva, mentre il blocco centrale più pesante è sostenuto da colonne a estremità articolata che agiscono come pendolo invertito. Simulazioni numeriche condotte con software strutturale commerciale mostrano che questa configurazione può raggiungere un periodo efficace estremamente lungo — paragonabile a quello di un edificio sostenuto da un pendolo alto decine di metri, sebbene la lunghezza reale del pendolo sia di circa un metro. In presenza di forti terremoti, le accelerazioni ai piani dell’edificio scendono a livelli prossimi allo zero e gli spostamenti restano contenuti. Ulteriori studi esaminano la sensibilità del periodo del sistema al rapporto di massa tra le due parti, come esso rimane stabile rispetto al ribaltamento e come semplici blocchi meccanici o elettronici potrebbero mantenerlo bloccato sotto vento o durante l’uso quotidiano, rilasciandolo solo in caso di evento sismico.

Cosa significa per gli edifici del futuro

In termini pratici, questa ricerca mostra che bilanciando con cura un sistema pendolare stabile con un pendolo invertito intenzionalmente instabile, gli ingegneri possono creare supporti per edifici straordinariamente morbidi agli scuotimenti sismici senza bisogno di spazi pendolari alti e ingombranti. Il nucleo pesante dell’edificio diventa parte del meccanismo protettivo, trasformando la rigidità negativa da problema a strumento. I modelli e le simulazioni dello studio suggeriscono che un isolatore ibrido di questo tipo può ridurre nettamente sia le vibrazioni sia gli spostamenti delle strutture durante i terremoti, rimanendo stabile e praticabile dal punto di vista costruttivo. Se sviluppato ulteriormente e validato sperimentalmente, questo approccio potrebbe portare a una nuova generazione di edifici antisismici che restano quasi calmi anche quando il terreno è in movimento violento.

Citazione: Azizi, A., Barghian, M. Introducing the inverted pendulum as a negative stiffness mechanism and a novel structural system to improve seismic performance using a quasi-zero stiffness approach. Sci Rep 16, 14343 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42589-7

Parole chiave: isolamento sismico, rigidità negativa, sistemi a pendolo, ingegneria sismica, controllo delle vibrazioni