Patrimonio storico e sisma: approcci innovativi per la valutazione della vulnerabilità sismica

1 Introduzione
Il costruito storico-monumentale (chiese, campanili, mona- steri, palazzi storici, ecc.) rappresenta un importante patrimonio, sia culturale che economico, a livello mondiale, che tuttavia è in costante pericolo a causa delle proprie vulnerabilità, come conseguenza del fatto che varie parti del territorio europeo, e in particolare la maggior parte di quello italiano, sono caratterizzati da un’alta sismicità. La sequenza di eventi sismici che dall’agosto 2016 ha colpito il centro Italia su una vasta area, con la prima forte scossa nell’agosto 2016 di magnitudo 6.0 ed epicentro tra Accumoli ed Amatrice e una successiva con epicentro a Norcia nell’ottobre 2016 di magnitudo 6.5, ha infatti ancora una volta posto in evidenza la vulnerabilità del patrimonio storico-architettonico, confermando quanto già visto con i terremoti del Friuli (1976), dell’Irpinia (1980), dell’Aquila (2009) e dell’Emilia (2012). Eventi più recenti, quale il terremoto di Kos in Grecia con magnitudo di 6.7 del luglio 2017, hanno mostrato la fragilità del costruito storico rispetto alle azioni sismiche anche al di fuori dell’Italia.
Le cause principali dei vari danni e crolli sono da ricercarsi da un lato nelle caratteristiche del moto sismico che ha fornito le maggiori accelerazioni spettrali nell’intervallo di periodi di oscillazione tipici degli edifici in muratura, ovvero periodi piuttosto bassi dovuti all’elevata rigidezza che caratterizza queste strutture; dall’altro nei fattori di vulnerabilità (o punti di debolezza) evidenziati da questa tipologia costruttiva a seguito di ogni evento sismico di una certa rilevanza.
 
2. La valutazione della sicurezza sismica
Per comprendere il reale comportamento sismico degli edifici - storico - monumentali ed individuare dove agire per incrementarne il livello di sicurezza rispetto all’azione sismica è necessario valutarne in maniera affidabile la vulnerabilità sismica. A monte di questa analisi c’è la costruzione di un modello numerico rappresentativo della struttura.
Nella pratica professionale si usano due diversi approcci, concettualmente diversi ma con lo stesso fi ultimo. Il primo approccio, molto più diffuso ed utilizzato, vede l’utilizzo del modello a telaio equivalente che scompone la struttura in maschi murari e fasce di piano, elementi che sono possibili sede di danneggiamento, e in nodi rigidi che li collegano. Il metodo è di semplice utilizzo e computazionalmente non oneroso, ma è basato su approssimazioni importanti della struttura, sia a livello geometrico che meccanico, e fornisce dei risultati verosimili su strutture prettamente regolari in pianta e in altezza, con aperture sufficientemente allineate verticalmente e orizzontalmente, in assenza di sfalsamenti di solai, di aperture di grandi dimensioni al piano terra, ecc.
Un secondo approccio, sempre più utilizzato nella pratica professionale grazie all’enorme sviluppo dei personal computer negli ultimi decenni, vede l’utilizzo di una modellazione al continuo della compagine muraria, senza la necessità di schematizzazioni o semplificazioni geometriche eccessive, attraverso l’utilizzo di elementi fi di tipo solido. Tale approccio vede la necessità di inserire nel modello un mate- riale muratura tipicamente non omogeneo e anisotropo (anche se a volte viene approssimato con un materiale omogeneo e isotropo), dotato di una buona resistenza a compressione e di una scarsa (ma non nulla) resistenza a trazione. I legami costitutivi non lineari sono dotati di un ramo discendente post picco (noto come “softening”), tengono conto del danno che si sviluppa nel materiale e necessitano di parametri ricavabili a partire dai dati usualmente disponibili in letteratura.
Le potenzialità dell’approccio basato sull’utilizzo di elementi solidi non lineari sono state saggiate su due casi studio: i complessi monastici di San Francesco a Cagli e di San Francesco ad Alto ad Ancona (Figure 1, 2). Entrambi gli aggregati edilizi sono oggi caratterizzati da destinazioni d’uso di primaria importanza per la collettività, che rendono doverosi interventi di salvaguardia e di mantenimento dell’efficienza strutturale.
 
 
 
Per valutare la risposta sotto forzante sismica dei due ex monasteri è stato seguito un analogo percorso di conoscenza basato su un’approfondita indagine storica e un accurato rilievo geometrico. In primo luogo è stata effettuata un’analisi storica determinando l’estensione delle porzioni originarie del fabbricato, l’entità delle demolizioni, delle espansioni e considerando le interazioni di ciascun edificio con l’ambiente costruito circostante.
 
Al rilievo geometrico è stata associata una rappresentazione ottenuta tramite restituzioni fotogrammetriche per il complesso di San Francesco a Cagli (Figura 1) e per mezzo di un laser scanner per l’ex monastero di San Francesco ad Alto (Figura 2); è stata quindi effettuata la caratterizzazione della tessitura muraria e delle connessioni tra elementi strutturali. Particolare attenzione è stata posta alle caratteristiche strutturali, determinando le tipologie dei solai di piano e di copertura e la consistenza delle pareti murarie tramite ispezioni visive. Tali informazioni hanno consentito la corretta definizione dei modelli numerici impiegati per l’analisi del comportamento statico e dinamico della struttura. Per motivi economici, in entrambi i casi studio, non è stato possibile effettuare prove in situ esaustive e verifiche estese; in alcune parti è stata verifiche solo localmente la presenza o meno di ammorsamento tra le pareti murarie.
Per poter saggiare le proprietà non lineari dei due edifici si è utilizzata un’analisi statica non lineare (Push Over) secondo i dettami della normativa italiana cogente, cioè il D.M. 14 gennaio 2008 (noto come Norme Tecniche sulle Costruzioni, NTC), applicando due distribuzioni di carico: la prima proporzionale alle forme modali principali nella direzione considerata, e la seconda proporzionale alle masse di piano.
 
2.1 S. Francesco a Cagli

Il primo caso analizzato è il complesso di San Francesco a Cagli in Provincia di Pesaro-Urbino (Marche) (Figura 1), per cui è stata realizzata una modellazione 3D avanzata con elementi solidi, con lo scopo di avere una modellazione affidabile del complesso. Tale edificio è formato da una ex chiesa con monastero annesso, quest’ultimo attualmente utilizzato come scuola secondaria di primo grado. La chiesa è caratterizzata da uno sviluppo longitudinale ed interagisce con la struttura del monastero nella zona occupata dalla torre e dall’abside. 

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Articolo tratto dal numero 18 di Structural Modeling.
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