Colonna a pendolo con rigidezza negativa inclinata come nuovo meccanismo ibrido di isolamento sismico integrato nel terreno con caratteristiche simili a pali

Perché è importante proteggere gli edifici dalle scosse

I terremoti possono trasformare edifici di uso quotidiano in pericoli mortali, specialmente quando sorgono su terreni morbidi o deboli. Gli ingegneri da tempo cercano di proteggere le strutture dalle forti sollecitazioni, ma la maggior parte delle soluzioni tratta l’edificio e il terreno sottostante come problemi separati. Questo studio presenta un nuovo dispositivo che affronta entrambi contemporaneamente: aiuta un edificio a sopportare un terremoto in modo più dolce e al contempo si comporta come un palo di fondazione resistente in terreni scadenti.

Un nuovo modo di sospendere un edificio

Gli autori propongono un sistema chiamato colonna a pendolo con rigidezza negativa inclinata, o PC-INS. Immaginate il peso dell’edificio sospeso tramite cavi all’interno di un palo cavo sepolto nel terreno, come un pendolo appeso a un soffitto. Quando il terreno si muove, la massa sospesa tende a oscillare più lentamente e dolcemente rispetto al movimento sottostante, così l’edificio avverte meno lo scossone. Il guscio esterno in acciaio di questo dispositivo assomiglia e funziona come un normale palo di fondazione, trasferendo i carichi verticali verso strati di terreno più profondi e più rigidi, il che lo rende praticabile su terreni deboli dove molte città sono costruite.

Una spinta gentile nella direzione opposta

Da solo, un pendolo semplice ha ancora una certa rigidezza che può consentire il passaggio di alcune oscillazioni sismiche. Per ammorbidirlo ulteriormente, i ricercatori aggiungono un elemento interno compresso—simile a una molla—installato con un’inclinazione sotto la massa sospesa. Questo elemento inclinato spinge verso l’alto quando la massa si muove, annullando in parte la trazione dei cavi. Il risultato è una regione a “quasi-rigidezza zero” attorno alla posizione di equilibrio dell’edificio: per spostamenti piccoli e moderati il sistema oppone pochissima resistenza, quindi trasmette quasi nulla dell’eccitazione orizzontale alla struttura. Il team ricava equazioni dettagliate che descrivono questo moto e individua come massa, lunghezza dei cavi e livello di compressione debbano essere tarati affinché il sistema resti stabile fornendo al contempo un forte isolamento.

Mettere l’idea alla prova con i terremoti

Per verificare il comportamento del PC-INS in condizioni realistiche, gli autori hanno eseguito simulazioni al computer usando registrazioni di cinque terremoti noti, tra cui Kobe e Northridge. Hanno confrontato un edificio appoggiato sui nuovi pali con un edificio simile senza isolamento. I risultati mostrano che con il PC-INS l’accelerazione dell’edificio scende a livelli molto bassi, mentre anche lo spostamento laterale rimane contenuto—diversamente da molti isolatori tradizionali che riducono l’accelerazione a scapito di drift maggiori. L’analisi in frequenza ha rivelato che il sistema evita picchi di risonanza pericolosi anche con smorzamento minimo, grazie alla sua quasi-rigidezza zero e al comportamento non lineare. I calcoli energetici mostrano inoltre che meno energia sismica entra nell’edificio e che una quota maggiore viene immagazzinata in modo innocuo come variazione di quota della massa sospesa anziché come deformazioni dannose in travi e colonne.

Aiutare il terreno oltre alla struttura

Poiché il PC-INS è costruito come un palo incorporato nel terreno, gli autori hanno anche esaminato come modifichi la risposta del suolo. Utilizzando modelli 2D e 3D con leggi di comportamento standard per il terreno, hanno confrontato pali ordinari con il loro palo ibrido-isolatore sottoposti a carichi ciclici laterali. Con il nuovo sistema, le tensioni e le deformazioni nel terreno circostante sono diminuite nettamente e le deformazioni sono rimaste più uniformi e stabili su molti cicli di carico. Quando hanno integrato i pali in telai completi di edifici e li hanno sottoposti a scosse storiche, gli drift dei piani e le forze di base sono stati ridotti fino a circa l’80 percento rispetto ai pali convenzionali. Gli spostamenti risultanti sono rimasti agevolmente entro i limiti di prestazione fissati dalle normative sismiche, indicando che edifici dotati di PC-INS potrebbero rimanere operativi dopo forti scosse.

Cosa significa per città più sicure

In termini semplici, il sistema PC-INS permette a un edificio di “pendere” all’interno dei propri pali di fondazione, mentre un elemento interno opportunamente compresso contrasta silenziosamente la trazione della gravità. Questa combinazione allunga il periodo naturale dell’edificio, filtra un’ampia gamma di frequenze sismiche e limita sia le vibrazioni che l’oscillazione laterale. Allo stesso tempo, il guscio tipo palo rinforza i terreni deboli e riduce i danni sottoterra. Le simulazioni e le verifiche numeriche dello studio suggeriscono che questo dispositivo con doppia funzione potrebbe offrire uno strumento pratico per proteggere le strutture nelle regioni sismiche, specialmente dove terreni morbidi o terreni bonificati rendono le soluzioni tradizionali difficili o costose.

Citazione: Azizi, A., Barghian, M. Pendulum column with inclined negative stiffness as a novel hybrid seismic isolation mechanism integrated into soil with pile-like characteristics. Sci Rep 16, 12238 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42674-x

Parole chiave: isolamento sismico, ingegneria sismica, pali di fondazione, interazione suolo-struttura, controllo delle vibrazioni