Isolamento sismico del busto di Francesco I d’Este con isolatori a pendolo

Come proteggere sismicamente un'opera d'arte

Gli eventi sismici avvenuti nell’area del Mediterraneo hanno mostrato come la vulnerabilità sismica dei beni culturali, intesi sia come costruzioni storiche che oggetti d’arte, statue, dipinti e collezioni museali, sia un tema di grande attualità. Per poter affrontare questo genere di problemi, è necessario adottare un approccio di studio interdisciplinare, come quello presentato in Berto et al. (2012) che comprende: percorso della conoscenza, rilievo geometrico e caratterizzazione dei materiali, accurata definizione della domanda sismica, sviluppo di specifici metodi di analisi in accordo con le caratteristiche degli oggetti e con il livello di accuratezza richiesto ed infine progetto, se necessario, di opportuni sistemi di protezione.

Tra le soluzioni di protezione più avanzate, è sempre di maggior impiego l’isolamento sismico di singoli oggetti d’arte, in passato soprattutto in Giappone e nel J. Paul Getty Museum di Los Angeles, più recentemente anche in Italia. Recenti studi sul comportamento degli isolatori a pendolo a doppia superficie curva “Double Concave Curved Surface Sliders (DCCSS)”, hanno evidenziato la loro efficacia nella protezione dei beni mobili (e.g. Berto et al. 2013 and 2015, Chiozzi et al. 2015). Questo sistema di isolamento, già ampiamente impiegato nel mondo dell’ingegneria civile, rappresenta quindi una valida soluzione anche per oggetti caratterizzati da massa e dimensioni ridotte per l’adattabilità ai contesti museali grazie alla loro dimensione contenuta e la possibilità di approfittare del know-how industriale esistente, evitando di ricorrere a complessi sistemi sviluppati ad hoc per specifiche opere.

Per questi motivi, un particolare sistema sviluppato da FIP industriale in collaborazione con l’Università di IUAV è stato progettato ed impiegato per l’isolamento del Busto di Francesco I D’Este, scolpito da Gian Lorenzo Bernini ed esposto nella collezione della Galleria Estense nel Palazzo dei Musei di Modena (Figura 1). Le caratteristiche geometriche del Busto e del relativo piedistallo sono riportate in Tabella 1 dove sono indicate anche le dimensioni massime in altezza (H), larghezza (L), profondità (P).

Tabella 1 - Dimensioni del busto, base e piedistallo

Figura 1 - Il busto di Francesco I d’Este

L’opera si trova esposta al secondo piano del Palazzo dei Musei di Modena, un complesso monumentale in muratura molto esteso (Figura 2).

Figura 2 - Localizzazione del Palazzo dei Musei di Modena

Il sistema di isolamento impiegato per il busto di Francesco I d'Este

Tenuto conto delle caratteristiche geometriche ed inerziali del busto e del sistema busto/piedistallo, e dell’effetto di amplificazione dell’azione sismica dovuto alla quota dell’opera all’interno dell’edificio, valutata in fase preliminare mediante le formulazioni semplificate presenti in NTC08 ed EC8, nonché Linee Guida CNR DT212/2013, è stata valutata l’accelerazione critica per l’innesco di fenomeni di oscillazione e ribaltamento. In particolare si è osservato che l’azione critica che innesca l’oscillazione del sistema busto/piedistallo è pari a 0,176g corrispondente ad un tempo di ritorno pari a Tr=37 anni (considerato il posizionamento al secondo piano del Palazzo) ben inferiore al tempo di ritorno di Tr=712 anni che si può ragionevolmente assumere per l’azione sismica di riferimento.

Considerato, quindi, il particolare valore storico e culturale dell’opera si è ritenuto necessario provvedere ad un intervento di mitigazione del rischio sismico mediante isolamento.

Per dimensionare gli isolatori a pendolo si è eseguita un’analisi lineare equivalente parametrica, ottenendo nel caso in esame un raggio di curvatura di 3500 mm e spostamento di progetto pari a ±180mm. A causa del basso peso dell’oggetto, e di conseguenza della bassa pressione sulle superfici di scorrimento degli isolatori, il valore del coefficiente d’attrito risulta di difficile determinazione, si è reso quindi necessario misurarlo mediante appositi test sperimentali. Si sono quindi eseguite delle prove dinamiche presso il laboratorio prove dello stabilimento di FIP Industriale in accordo con la normativa europea EN 15129:2009 sul setup di quattro isolatori, con una massa uguale a quella della statua e del suo piedistallo. In questo modo è stato valutato un coefficiente di attrito pari a 5,28%, adottato successivamente per le simulazioni numeriche.

Modello Numerico e reologico

La formulazione numerica di un isolatore a pendolo a doppia curvatura è affine a quella di un isolatore a pendolo semplice, purché si usi il raggio di curvatura equivalente (fornito dai pro-duttori). Una descrizione approfondita del modello bilineare comunemente usato per descrivere il comportamento degli isolatori a pendolo è disponibile in Naeim and Kelly 1999.

In MIDAS Gen è implementato uno specifico elemento link non lineare “Friction pendulum system isolator” (FPS) le cui principali caratteristiche sono rappresentate dalle proprietà attritive e dalla rigidezza post-scorrimento (rigidezza di richiamo) dovuta al raggio di curvatura per le due deformazioni taglianti, e dalla simulazione del “contatto” (gap) in direzione assiale. 

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