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Un nuovo isolatore per la protezione sismica di beni museali: validazione su tavola vibrante

All'interno dell'articolo si indaga il comportamento dei nuovi isolatori sismici attraverso l'uso di prove su tavola vibrante, in ottica di salvaguardia del patrimonio storico-monumentale contro i danni causati dai terremoti.

I monumenti e i beni storico-artistici non sono stati risparmiati dai maggiori terremoti occorsi nell’area del Mediterraneo. Una notevole attività di ricerca è stata dedicata alla mitigazione degli effetti sismici sugli edifici storici, ma gli studi sperimentali sulla protezione dei contenuti museali sono ancora limitati.

In questo lavoro, si vuole indagare il comportamento ed il grado di protezione sismica di una tipologia innovativa di isolatori tramite prove su tavola vibrante.

La protezione sismica dei beni museali

Recentemente, i maggiori eventi sismici che hanno interessato l’area del Mediterraneo, e in particolar modo in Turchia, Grecia e Italia, hanno causato notevoli danni anche al patrimonio storico-monumentale.

In particolare, la salvaguardia sismica dei contenuti museali come manufatti e statue, anch’essi oggetto di danneggiamenti, merita l’attenzione dei ricercatori in virtù della grande importanza culturale e del loro inestimabile valore. Purtroppo, i beni museali non sono oggetto di specifica attenzione nelle norme sismiche e vengono spesso assimilati ad elementi non strutturali.

Nella letteratura scientifica, gli oggetti museali, le statue e le vetrine espositive sono generalmente modellati come elementi rigidi e analizzate nel contesto della dinamica non lineare perlopiù attraverso studi teorici, essendo pochi gli approcci sperimentali disponibili.

In effetti, già dal 1984, al Jean Paul Getty Museum in Malibu (California, USA) vengono condotte ricerche teoriche e approcci pratici sulla protezione sismica degli oggetti d’arte.

Alcuni oggetti in particolare, come le anfore e le statue, sono soggetti più di altri agli effetti distruttivi del terremoto, in funzione dell’altezza del loro baricentro in relazione alla larghezza della base. Su di essi, l’azione sismica può provocare effetti dinamici fortemente non lineari che possono anche condurre al loro ribaltamento. Per siffatti elementi, la tecnica dell’isolamento sismico alla base si è dimostrata particolarmente efficace. Le benefiche caratteristiche di ogni sistema di isolamento alla base sono:

  • una ridotta rigidezza laterale al fine di disaccoppiare il moto del bene isolato dal terreno;
  • un notevole livello di smorzamento per dissipare l’energia sismica e limitare la domanda di smorzamento;
  • una capacità di ricentraggio alla fine dell’evento sismico per fare eventualmente fronte a scosse successive.

In questo lavoro vengono presentati i risultati di una ricerca condotta nell’ambito del progetto di ricerca PON eWAS - An Early-Warning System for Cultural Heritage, finanziato dal Ministero dell’Università e della Ricerca, il cui obbiettivo finale era anche la valutazione dei rischi naturali cui sono soggetti i beni del patrimonio culturale in alcune zone della Sicilia. È stata condotta una estensiva campagna di prove volte alla caratterizzazione del comportamento dinamico di una tipologia innovativa di isolatore sismico bidirezionale, il cui funzionamento è basato su elementi a quadrilatero articolato multiplo, brevettati come KSJ (Kinematic Steel Joint), che consentono movimenti liberi nel piano orizzontale di una base rigida, garantendo la presenza di tutte le caratteristiche positive prima elencate mediante un comportamento simile agli isolatori a pendolo.

Come caso di studio è stata selezionata la statua della Dea di Morgantina (illustrata in Figura 1-a) anche in ragione della sua storia. Difatti, questa statua, alta 2.24 m, fu scolpita nel V secolo a.C. in Sicilia da un discepolo di Fidia.

Rinvenuta in scavi archeologici presso il sito di Morgantina (EN) alla fine degli anni 70 del secolo scorso, è stata trafugata, sezionata in tre parti per facilitarne il trasporto ed esportata illegalmente. Qualche anno dopo, la statua riapparve in Svizzera presso una galleria d’arte e fu quindi venduta nel 1986 al Paul Getty Museum, che la espose a Malibu per diversi anni. Dopo un lungo contenzioso tra i governi Italiano e statunitense, fu dimostrata la provenienza della statua che, infine, fu restituita all’Italia nel 2011.

Durante gli anni di esposizione in California, la statua era stata munita di una base antisismica monodirezionale, progettata dagli stessi ingegneri del Paul Getty Museum, la quale fu mantenuta anche presso l’attuale installazione al Museo Archeologico di Aidone (EN). Al fine di incrementare il realismo delle prove sperimentali, è stata realizzata una replica in scala reale della statua (Figura 1-b) e sono state condotte prove su tavola vibrante presso il Centro di Ricerca L.E.D.A. (Laboratory of Earthquake engineering and Dynamic Analysis) della Università di Enna "Kore".

Figura 1. - a) La statua della Dea di Morgantina presso il Museo di Aidone; b) la replica a scala reale, munita di isolatore, posta sulle tavole vibranti del L.E.D.A.
Figura 1. a) La statua della Dea di Morgantina presso il Museo di Aidone; b) la replica a scala reale, munita di isolatore, posta sulle tavole vibranti del L.E.D.A.

Caratterizzazione dell’isolatore

Le tecniche di isolamento sismico alla base sono state recentemente oggetto di notevole attenzione a causa della loro efficacia nel limitare le accelerazioni trasmesse agli oggetti isolati e alla conseguente riduzione dei danni strutturali connessi al sisma.

In prima analisi, le tipologie di isolatori attualmente disponibili possono essere classificate in due categorie principali: gli isolatori elastomerici ed i dispositivi a scorrimento a pendolo.

Purtroppo, ancora oggi l’utilizzo in modo generalizzato della tecnologia di isolamento alla base è stata fortemente limitata dai costi iniziali di questi apparecchi e da quelli connessi alla loro manutenzione. Al fine di superare questi inconvenienti e di estendere la fattibilità dell’isolamento alla base anche alla protezione degli elementi non strutturali e agli oggetti d’arte, Kyneprox S.r.l. ha recentemente progettato e brevettato un nuovo dispositivo che utilizza gli effetti benefici di un doppio sistema a quadrilatero articolato denotato come Kinematic Steel Joint (KSJ).

Dal momento che tutti i suoi elementi sono prodotti da fogli di acciaio piegati e tranciati, questo tipo di dispositivi presenta costi di produzione e di manutenzione ridotti rispetto agli altri tipi di isolatori alla base. Gli elementi KSJ possono essere disposti in modo da realizzare configurazioni diverse in funzione della forma e delle dimensioni dell’oggetto da proteggere. Nella applicazione oggetto di questa memoria, gli elementi KSJ sono stati utilizzati per realizzare il dispositivo illustrato in Figura 1-b, il quale consiste in una base rigida montata al di sopra di un sistema di due binari sovrapposti, realizzati con elementi KSJ, in modo tale da consentire spostamenti relativi orizzontali bidirezionali rispetto al suolo. Il prototipo è stato progettato per sostenere e proteggere una massa di circa 900 kg, simile a quella della statua della Dea di Morgantina.

Il comportamento cinematico del dispositivo è simile a quello degli isolatori a pendolo, in quanto esso genera degli spostamenti verticali quando ad esso si impongono movimenti orizzontali rispetto alla posizione centrale di equilibrio.

In questo modo, la traiettoria dell’oggetto isolato è forzata a giacere su di una superficie concava a doppia curvatura che ne assicura il ricentraggio. A differenza degli isolatori a scorrimento tradizionali, questo dispositivo può opporsi al momento ribaltante in quanto il vincolo degli appoggi scorrevoli è di tipo bilatero, ma -similarmente agli altri isolatori – trasmette integralmente le componenti verticali della forzante sismica.

In precedenti lavori sono state identificate le caratteristiche della superficie a doppia curvatura, approssimabile come un paraboloide ellittico, che è responsabile della nascita delle forze di richiamo e delle conseguenti capacità di ricentraggio.

È possibile affermare che il dispositivo in prova consentiva spostamenti orizzontali di ±150 mm, dando luogo a spostamenti verticali verso l’alto di circa 15 mm per entrambe le direzioni. Ciò consente di valutare il periodo di oscillazione equivalente in circa 2.5 s, valore in linea con i dispositivi di isolamento tradizionali.

Allo scopo di misurare la Funzione di Risposta in Frequenza (FRF) del dispositivo, sono state condotte numerose prove su tavola vibrante per ogni direzione orizzontale e per quattro diversi livelli crescenti di carico presso il Laboratorio di Dinamica Sperimentale del Centro di Ricerca L.E.D.A. dell’Università di Enna “Kore”. Maggiori informazioni sulle caratteristiche degli impianti di prova e sulla sequenza delle prove possono essere reperite.

Sono stati considerati I seguenti livelli di carico: C0, senza masse aggiunte alla base rigida dell’isolatore, C1 e C2 ottenute aggiungendo, rispettivamente 320 kg e 760 kg e, infine, il livello C3 in cui è stata aggiunta la massa di circa 900 kg, pari alla massa della replica della statua della Dea di Morgantina. Per ogni prova, è stata valutata la FRF tra il segnale di accelerazione registrato sulla tavola vibrante (R1, input) e quello proveniente da un accelerometro posto sulla base rigida (A1, output).

Nella Figura 2 vengono riportate, per brevità, solo le ampiezze delle FRF per ogni be per l’intensità di input di 1.0 m/s2 RMS.

Figura 2. – Funzioni di Risposta in frequenza per test con rumore casuale a 1.0 m/s2 RMS: a) direzione X; b) direzione Y.
Figura 2. – Funzioni di Risposta in frequenza per test con rumore casuale a 1.0 m/s2 RMS: a) direzione X; b) direzione Y.

I risultati mostrano la capacità dell’isolatore di ridurre in maniera significativa le accelerazioni orizzontali trasmesse alla base superiore per ognuna delle condizioni di carico indagate. Nello specifico, i risultati meno gratificanti si sono registrati in corrispondenza della condizione di carico C0, ma essa assuma una importanza marginale rispetto alle normali configurazioni di funzionamento del dispositivo.

In presenza delle masse aggiuntive è stato verificato che il comportamento dinamico dell’isolatore non dipendeva dalle condizioni di carico stesse. Il dispositivo è in grado di ridurre drasticamente le componenti aventi frequenze maggiori di 5 Hz ed è stata osservata una zona di magnificazione della risposta nell’intervallo tra 1.0 Hz e 1.15 Hz.


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Testo tratto da una Memoria del Congresso ASSISI

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